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Die vorliegende Erfindung betrifft das allgemeine Gebiet der Schubstangen für Aufhängungsorgane von Fahrgestellen von Fahrzeugen, genauer gesagt von Kraftfahrzeugen, wie etwa Lenkstangen, Federlaschen oder Stabilisierungsstangen zum Zurückstellen eines Querstabilisators.
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Es ist seit langem bekannt, Schubstangen zu verwenden, um zwei entfernte bewegliche mechanische Organe zu koppeln, und genauer gesagt eine Lenkstange zu verwenden, um einerseits das Ende einer Lenkzahnstange, die translationsmäßig in einem Lenkgehäuse geführt wird und von einer Lenksäule, die mit einem Lenkrad verbunden ist, mitgenommen wird, andererseits mit einem Achsschenkel, der in Azimutrichtung (Gierbewegung) auf dem Fahrgestell beweglich installiert ist und ein Leitrad des Fahrzeugs trägt, zu verbinden.
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Dazu umfassen derartige Schubstangen eine Schwenkstange, die aus einer Metallrolle gebildet wird, die in der Lage ist, abwechselnd Zug- und Druck-Betätigungsbeanspruchungen zu übertragen, wobei die Stange an jedem ihrer Enden ein kugelförmiges Gelenkelement nach Art einer Kugel oder eines Kugellagers trägt, das die Verbindung der Schubstange mit dem entsprechenden mechanischen Organ gemäß einer kugelgelenkartigen kinematischen Verbindung ermöglicht.
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Obschon die bekannten Schubstangen im Allgemeinen bezüglich ihres mechanischen Verhaltens durchaus zufriedenstellend sind, können sie dennoch gewisse Einschränkungen aufweisen.
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Insbesondere tragen die Schubstangen durch ihr erhebliches Gewicht notwendigerweise dazu bei, das Fahrgestell des Fahrzeugs auf Kosten von Straßenlage, Leistung und Verbrauch des Fahrzeugs schwerer zu machen.
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Ferner erfordert die Herstellung derartiger Schubstangen im Allgemeinen eine Folge von unterschiedlichen Bearbeitungsvorgängen, von denen einige hohe Präzision bedingen, wodurch die Herstellung relativ langwierig und kostspielig wird.
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Die der Erfindung zugeteilten Aufgaben zielen demnach darauf ab, bei den zuvor erwähnten Nachteilen Abhilfe zu schaffen und eine neuartige Schubstange vorzuschlagen, die sowohl haltbar als auch leicht ist und die einfach und kostengünstig herzustellen ist, sowie ein neues dazugehöriges Herstellungsverfahren, das besonders zeit-, rohmaterial- und energiesparend ist.
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Die der Erfindung zugeteilten Aufgaben werden anhand eines Verfahrens zum Herstellen eines Kugelgelenk-Verbindungsorgans erreicht, das mindestens ein kugelförmiges Gelenkelement umfasst, das entweder einer Kugel, die ein äußeres Gelenkelement bildet, oder einem Kugellager, das ein inneres Gelenkelement bildet, entspricht, wobei das kugelförmige Gelenkelement an einer Schwenkstange befestigt ist, die eine Schwenkachse des kugelförmigen Gelenkelements ausbildet, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es mindestens einen Schritt (a) des Hydroformens der Schwenkstange umfasst, bei dem die Schwenkstange ausgehend von einem röhrenförmigen Rohling geformt wird, indem ein unter Druck stehendes Fluid auf den Innenraum des röhrenförmigen Rohlings angewendet wird, der zuvor in einen Formhohlraum gelegt wurde, um die plastische Verformung und die Formgebung durch radiale zentrifugale Aufweitung der Wand des röhrenförmigen Teils gegen den Hohlraum der Form zu verursachen.
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Die der Erfindung zugeteilten Aufgaben werden auch anhand einer Schubstange nach Art einer Lenkstange erreicht, die eine Schwenkstange umfasst, die an einem ihrer Enden mit einer Gelenkkugel versehen ist, die für eine Kugelgelenk-Verbindung gedacht ist, wobei die Schubstange dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkstange durch eine hohle Röhre gebildet wird, die über den größten Teil oder sogar die Gesamtheit ihrer Länge ausgehöhlt ist und deren ausgehöhlter Abschnitt sich in die Gelenkkugel erstreckt oder diese sogar vollständig durchsetzt.
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Vorteilhaft ermöglicht es die Erfindung, Schwenkstangen, und noch allgemeiner Kugelgelenk-Verbindungsorgane, sowie Schubstangen, die aus derartigen Kugelgelenk-Verbindungsorganen aufgebaut werden, die zum größten Teil oder sogar vollkommen hohl sind und demnach besonders leicht sind, auszubilden.
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Vorteilhaft wird diese Erleichterung erzielt, indem der radial zentrale Teil der Schwenkstange ausgehöhlt wird, um nur eine umlaufende Haut zu bewahren, die keineswegs die Festigkeit und Steifigkeit des Kugelgelenk-Verbindungsorgans und noch allgemeiner der Schubstange in Frage stellt.
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Die Erfinder haben nämlich festgestellt, dass in der Praxis, wenn die Schubstange den üblichen Zug- und Druck- und/oder Biegebelastungen ausgesetzt wird, ihre neutrale Faser wenig arbeitet, so dass es durchaus möglich ist, Material aus der Mitte der Schwenkstange zu entnehmen und nur eine umlaufende röhrenförmige Wand zu bewahren, die ausreicht, um diese Spannungen auszuhalten.
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Im Übrigen ermöglicht die Verwendung eines Hydroformverfahrens, gegebenenfalls in einem einzigen Schritt eine Schubstangen-Schwenkstange einfach und schnell zu erzielen, die einstückig gebildet ist, hohl ist, sowohl haltbar als auch leicht ist, in einer nahezu fertigen Form, die nur wenige oder sogar gar keine Nacharbeiten und Fertigstellungsarbeiten, insbesondere durch Bearbeitung, benötigt.
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Dadurch dass die Anzahl der Herstellungsvorgänge begrenzt wird und Rohmaterial und Energie eingespart wird, ermöglicht die Umsetzung eines derartigen Hydroformverfahrens somit vorteilhaft, die Herstellungszeit und die Herstellungskosten der Schubstange zu reduzieren.
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Schließlich können die erfindungsgemäß erzielten Schubstangen, auch wenn sie das der Erfindung eigene Prinzip einer hohlen Schwenkstange übernehmen, äußere Formen und zweckmäßige Dimensionen (insbesondere den Wert des Mittenabstands, der die jeweiligen Mittelpunkte ihrer beiden kugelförmigen Gelenkorgane trennt) bewahren, die zu denen der früher bekannten Schubstangen identisch sich, so dass die neuen Schubstangen mit den alten vollständig austauschbar sind.
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Man kann also diese neuen Schubstangen innerhalb von vorhandenen Mechanismen einbauen, beispielsweise innerhalb von Kraftfahrzeug-Servolenkungen, und zwar insbesondere anlässlich von üblichen Eingriffen für Reparatur oder regelmäßige Wartung, ohne dass es notwendig wäre, die Mechanismen irgendwie zu ändern oder anzupassen.
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Weitere Aufgaben, Kennzeichen und Vorteile der Erfindung werden beim Durchlesen der nachstehenden Beschreibung, sowie anhand der beiliegenden Zeichnungen, die rein beispielhaft und nicht einschränkend bereitgestellt werden, ausführlicher hervorgehen. Es zeigen:
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1 und 2 jeweils in perspektivischen Ansichten einerseits ein erfindungsgemäßes Kugelgelenk-Verbindungsorgan und andererseits eine Lenkstange, die gebildet wird, indem ein Trägerendstück eines Kugellagers an dem freien Ende des Kugelgelenk-Verbindungsorgans gekoppelt wird.
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3 das Prinzip des Hydroformens einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenk-Verbindungsorgans und genauer gesagt seiner Schwenkstange.
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4 in einer Detailansicht im Längsschnitt in der Sagittalebene der Schwenkstange das erste Ende der in 3 dargestellten Variante des Kugelgelenk-Verbindungsorgans.
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5 in einer Detailansicht im Längsschnitt in der Sagittalebene der Schwenkstange das zweite gegenüberliegende Ende der Variante des in 3 und 4 dargestellten Kugelgelenk-Verbindungsorgans.
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6 in einer Ansicht im Längsschnitt in der Sagittalebene der Schwenkstange das Prinzip des Hydroformens einer Variante des erfindungsgemäßen Kugelgelenk-Verbindungsorgans, in dem die Ausweitung des Endes des röhrenförmigen Rohlings im Innern des kugelförmigen Gelenkelements, das an das Ende angesetzt wird, verursacht wird.
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7 und 8 jeweils in einer Draufsicht und einer Seitenansicht im Längsschnitt eine Lenkstange, die erzielt wird, indem ein Trägerendstück eines Kugellagers am freien Ende des in 1 und 3 bis 5 dargestellten Kugelgelenk-Verbindungsorgans angeschraubt wird.
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9 in einer Detailansicht im Längsschnitt das an die Schwenkstange im Innern der in 7 und 8 dargestellten Schubstange angesetzte Endstück.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kugelgelenk-Verbindungsorgans 1, wobei das Kugelgelenk-Verbindungsorgan 1 mindestens ein (erstes) kugelförmiges Gelenkelement 2 umfasst, das entweder einer Kugel 3, die ein äußeres Gelenkelement 2 bildet, wie es insbesondere in 1 bis 4 und 6 bis 8 abgebildet ist, oder einem Kugellager, das ein inneres Gelenkelement 2 bildet, entspricht.
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Vorteilhaft ist das kugelförmige Gelenkelement 2 dazu gedacht, mit einem anderen passenden kugelförmigen Gelenkelement (nicht gezeigt) gekoppelt zu werden, das von einem ersten mechanischen Organ getragen wird, mit dem das Kugelgelenk-Verbindungsorgan 1 verbunden werden soll, so dass durch die Vereinigung dieser kugelförmigen Gelenkelemente eine kinematische Verbindung mit kugelförmiger Grundfläche und insbesondere eine Gelenkkugelverbindung, die drei Rotationsfreiheitsgrade besitzt, oder eine Zapfenkugelgelenk-Verbindung, die zwei Rotationsfreiheitsgrade besitzt, oder gegebenenfalls sogar eine lineare und ringförmige Verbindung (Rinne), die zusätzlich zu einem Translationsfreiheitsgrad drei Rotationsfreiheitsgrade besitzt, wobei sich die Rotationsfreiheitsgrade in diesem Fall wie Rotationsfreiheitsgrade um den geometrischen Mittelpunkt O2 des kugelförmigen Gelenkelements 2 erstrecken, gebildet wird.
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Das Kugelgelenk-Verbindungsorgan 1 umfasst auch eine Schwenkstange 4, an der das kugelförmige Gelenkelement 2 befestigt ist und die eine Schwenkachse des kugelförmigen Gelenkelements 2 ausbildet.
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Zur Erleichterung der Beschreibung wird die Längsleitachse, entlang der sich die Schwenkstange 4 erstreckt und die bevorzugt mit der geometrischen Schwenkachse des Gelenkelements 2 zusammenfällt, mit (XX') bezeichnet.
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Obwohl es in dieser Hinsicht nicht ausgeschlossen ist, dass die Schwenkstange 4 einen oder mehrere angewinkelte Abschnitte, die gekrümmten Teilstücken der Leitachse (XX') folgen, oder auch eine Folge von Segmenten, die eine punktierte Linie bilden, aufweist, ist die Schwenkstange 4 bevorzugt über den größten Teil oder sogar über die Gesamtheit ihrer Länge entlang einer geraden Leitachse (XX') geradlinig.
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Zur Erleichterung der Beschreibung kann man die Querrichtungen, die zur Leitachse (XX') rechtwinklig sind, oder die Dimensionen, die in diesen zur Leitachse (XX') querliegenden Richtungen gemessen werden, als „radial” bezeichnen und jede Richtung, die zur Leitachse (XX') parallel ist, oder jede Abmessung, die auf der X-Achse entlang der Leitachse (XX') gemessen werden, als „axial” bezeichnen.
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Besonders bevorzugt befindet sich das kugelförmige Gelenkelement 2 entlang der Leitachse (XX') an dem einen der Enden 1A des Kugelgelenk-Verbindungsorgans 1 und genauer gesagt der Schwenkstange 4.
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Wie es insbesondere in 2, 7 und 8 abgebildet ist, kann das erfindungsgemäße Kugelgelenk-Verbindungsorgan 1 vorteilhaft eine Baugruppe einer Schubstange 5 und genauer gesagt einer Lenkstange bilden.
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Dazu kann man vorteilhaft an dem zweiten Ende 1B des Kugelgelenk-Verbindungsorgans 1 und genauer gesagt der Schwenkstange 4 gegenüber dem ersten Ende 1A, welches das zuvor erwähnte erste kugelförmige Gelenkelement 2 trägt, ein Endstück 6 befestigen, das ein zweites Gelenkelement 7, bevorzugt ebenfalls kugelförmiger Art, trägt, das ausgelegt ist, um die Schubstange 5 mit einem zweiten mechanischen Organ ähnlich wie zuvor mit Bezug auf das erste Gelenkelement 2 beschrieben zu verbinden.
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Als bevorzugtes Beispiel kann die Schubstange 5 eine Lenkstange für ein Fahrzeug und genauer gesagt ein Kraftfahrzeug sein, bevorzugt nach Art eines Landfahrzeugs mit einem oder mehreren Leiträdern.
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In dieser Hinsicht bildet das erste Gelenkelement 2 bevorzugt eine Kugel 3 und das zweite Gelenkelement 7 bevorzugt ein Kugellager 8.
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Selbstverständlich kann man das eine und/oder das andere der Enden 1A, 1B des Kugelgelenk-Verbindungsorgans 1 und noch allgemeiner der Schubstange 5 mit einer Kugel 3 oder aber mit einem Kugellager 8 versehen.
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Die Lenkstange 5 ermöglicht es vorteilhaft, innerhalb eines Lenksystems, beispielsweise einer Servolenkung, die einen elektrischen oder hydraulischen Hilfsmotor verwendet, einerseits ein erstes mechanisches Organ, das durch eine Zahnstange (nicht gezeigt) gebildet wird, die translationsmäßig bewegbar in einem Lenkgehäuse eingebaut ist, in Abhängigkeit von einer Lenksäule, die von einem Lenkrad gesteuert wird, andererseits mit einem zweiten mechanischen Organ nach Art eines Achsschenkels, der ein Leitrad des Fahrzeugs trägt, zu verbinden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schubstange 5 an dem Ende der Zahnstange als Kugelgelenk-Verbindung und mit dem Achsschenkel als Zapfenkugelgelenk-Verbindung angelenkt.
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Die Erfindung umfasst selbstverständlich ein Lenksystem als solches, das mindestens mit einer und bevorzugt mit zwei zuvor erwähnten beweglichen Schubstangen 5 versehen ist, sowie ein Kraftfahrzeug, das mit einem derartigen Lenksystem ausgestattet ist.
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Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zum Herstellen des Kugelgelenk-Verbindungsorgans 1 mindestens einen Schritt (a) des Hydroformens der Schwenkstange 4, bei dem man die Schwenkstange 4 aus einem röhrenförmigen Rohling 10 formt, indem ein unter Druck stehendes Fluid F auf das Innere 10I des röhrenförmigen Rohlings 10 angewendet wird, der zuvor in den Hohlraum einer Form 11 gelegt wurde, um die plastische Verformung und die Formgebung durch radiale zentrifugale Aufweitung E der Wand des röhrenförmigen Teils 10 gegen den Hohlraum der Form 11 zu verursachen.
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Das Hydroformen wird bevorzugt umgesetzt, indem in das Innere 10 des röhrenförmigen Teils 10I ein inkompressibles Fluid, wie etwa Wasser, auf einem Druck, der beispielsweise von 100 bar bis 500 bar erreichen kann, eingespritzt wird, um die Vergrößerung des Durchmessers D10 des röhrenförmigen Rohlings 10 zu erzwingen, der in 4 gestrichelt abgebildet ist, bis die Wand des röhrenförmigen Rohlings 10 durch den Hohlraum der Form 11 angehalten wird, deren Form sie gerade angenommen hat.
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Gegebenenfalls ermöglicht das verwendete Verfahrendes Hydroformens vorteilhaft, eine fertige oder nahezu fertige Schwenkstange 4 in einem einzigen Durchgang zu erzielen, wobei es dieses Verfahren der plastischen Verformung ermöglicht, direkt endgültige Abmessungen und/oder eine fertige Oberflächenbeschaffenheit zu erzielen, die funktionsmäßig für den wesentlichen Teil oder die Gesamtheit der Schwenkstange 4 zufriedenstellend sind.
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In der Tat benötigt die Herstellung der Schwenkstange 4 und noch allgemeiner des erfindungsgemäßen Kugelgelenk-Verbindungsorgans 1 nur wenige oder gar keine Nacharbeiten durch Bearbeitung.
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Es können somit wesentliche Ersparnisse an Rohmaterial und Energie erzielt und die Gesamtkosten der Herstellung reduziert werden.
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Vorteilhaft ermöglicht das Hydroformen darüber hinaus, eine hohle und somit leichte aber dennoch haltbare und einstückig gebildete Schwenkstange 4 zu erzielen.
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Insbesondere stellt die Verwendung eines hohlen röhrenförmigen Rohlings 10, der bevorzugt den größten Teil oder sogar die Gesamtheit der Länge der ganzen Schubstange 5 darstellt, eine erhebliche Gewichtsersparnis im Verhältnis zur Verwendung einer massiven Rolle bereit.
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Zur Information kann der Durchmesser (oder noch allgemeiner die Querdimension) D4I der internen Aussparung 4I der Schwenkstange 4, d. h. der radial interne Durchmesser der Schwenkstange 4, bevorzugt größer oder gleich 50%, größer oder gleich 65%, oder sogar größer oder gleich 75%, oder sogar 80% des entsprechenden externen Durchmessers (oder noch allgemeiner der Querdimension) D4E der Schwenkstange 4 sein, d. h. des Durchmessers der radial externen sichtbaren Oberfläche, und bevorzugt kleiner oder gleich 90%, oder sogar 85%, des externen Durchmessers D4E, und zwar bevorzugt auf dem größten Teil oder sogar der Gesamtheit der axialen Länge der Aussparung 4I.
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Genauer gesagt kann das Verhältnis des Durchmessers 4I der Aussparung zu dem externen Durchmesser 4E, d. h. der Quotient D4I/D4E, zwischen 65% und 90% liegen.
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Somit kann man für einen externen Durchmesser D4E der Schwenkstange zwischen 14 mm und 18 mm, und beispielsweise von etwa 15 mm, eine Wandrestdicke zwischen 1 mm und 2,5 mm in Betracht ziehen.
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Der Durchmesser der Kugel 3 kann seinerseits etwa 25 mm betragen. Ferner sei zu beachten, dass das Hydroformen eine einfache, schnelle und reproduzierbare Formgebung der Schwenkstange 4 ermöglicht, die sich gut für die Herstellung in großen Mengen zu geringen Kosten eignet.
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Bei Bedarf ermöglicht dieses sehr vielseitige Formgebungsverfahren zudem auch eine differenzielle Formgebung, indem es ermöglicht, den Durchmesser des röhrenförmigen Rohlings 10 entlang der Leitachse (XX') je nach Bedarf in unterschiedlicher Weise zu ändern, um Teilstücke der Schwenkstange 4 und noch allgemeiner Teilstücke des Kugelgelenk-Verbindungsorgans 1 zu erzielen, die entlang der Leitachse (XX') Querschnitte mit variablen Formen und/oder Dimensionen aufweisen.
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Selbstverständlich weist die Schwenkstange 4 eine gewisse Steifigkeit und insbesondere axiale Inkompressibilität und Undehnbarkeit auf, die ausreichen, um die Übertragung von Beanspruchungen in Übereinstimmung mit dem Zweck der Schubstange 5, insbesondere bei axialem Zug oder axialer Kompression, zu ermöglichen.
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Genauer gesagt kann man die Schwenkstange 4 derart dimensionieren, dass die Schwenkstange 4, und noch allgemeiner die Schubstange 5, in der Lage ist, gegebenenfalls abwechselnden axialen Zugbeanspruchungen von etwa 10 kN bis 25 kN und/oder axialen Kompressionsbeanspruchungen, bevorzugt ungefähr in der gleichen Größenordnung von etwa 10 kN bis 25 kN standzuhalten.
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Der röhrenförmige Rohling 10 kann somit aus einem beliebigen geeigneten starren Material, und insbesondere aus einem metallischen Material, wie etwa Stahl, insbesondere aus einem rostfreien Stahl, oder aber aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet sein, soweit das Material ausreichend verformbar oder genauer gesagt ausreichend dehnbar ist, um mit einer plastischen Verformung durch Hydroformen kompatibel zu sein.
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Bevorzugt wird der röhrenförmige Rohling 10 durch eine zylindrische Röhre mit kreisförmiger Grundfläche gebildet.
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Obwohl andere Umrisse geschlossener Grundflächen, wie beispielsweise elliptische oder vieleckige und insbesondere quadratische oder sechseckige, in Betracht gezogen werden können, wird im Allgemeinen eine Form mit kreisförmiger Grundfläche bevorzugt, insbesondere weil sie eine einheitliche Verteilung der radialen Ausweitung E begünstigt, wenn eine Schwenkstange 4 oder ein Teilstück einer Schwenkstange ausgebildet wird, die bzw. das eine Umdrehungsform oder eine Rotationsinvarianz zweiter oder höherer Ordnung um die Leitachse (XX') herum aufweist.
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Ferner verleiht eine derartige insgesamt kreisförmige Form dem röhrenförmigen Rohling 10 und besonders der fertigen Schwenkstange 4 vorteilhaft ein im Wesentlichen isotropes Verhalten um die Leitachse (XX') herum, wobei die Eigenschaften der Schwenkstange 4 und insbesondere ihre Steifigkeit in der Tat unabhängig von der Richtung der Beanspruchungen, die darauf einwirken, im Wesentlichen identisch bleiben.
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Im Übrigen kann die Dicke der Wand des röhrenförmigen Rohlings 10 vorteilhaft mindestens anfangs vor dem Hydroformen über die gesamte Länge des Teils 10 konstant sein.
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Dies gilt bevorzugt auch für den Durchmesser D10 (oder noch allgemeiner für die Außenquerdimension) des röhrenförmigen Rohlings, der anfangs über die ganze Länge desselben konstant ist.
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Zur Information und insbesondere mit Bezug auf die Werte des Durchmessers D4E der Schwenkstange 4, die zuvor in Betracht gezogen wurden, kann der röhrenförmige Rohling 10 vor dem Hydroformen einen Außendurchmesser D10 von etwa 9 mm bis 10 mm aufweisen.
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Obwohl man ferner in Betracht ziehen kann, den Rohling 10 insgesamt oder stellenweise vor dem Schritt (a) des Hydroformens zu biegen, insbesondere um ihm eine Vorform zu verleihen, die der endgültigen Form der Schwenkstange 4 ähnlich ist, wird der Rohling 10 bevorzugt in einem geradlinigen Format verwendet.
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Vorteilhaft kann man als röhrenförmigen Rohling 10 ein beliebiges roh gesägtes Teilstück mit geeignetem Profil, bevorzugt mit kreisförmiger Grundfläche, verwenden, wobei das Profil beispielsweise durch Strangpressen erzielt und einfach auf die gewünschte Länge zugeschnitten werden kann.
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Die Anschaffungskosten des röhrenförmigen Rohlings 10 sind somit besonders gering.
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Gemäß einer bevorzugten Möglichkeit zur Umsetzung des Verfahrens, die ein eigenständiger Erfindungsgedanke sein kann, der unabhängig von Form und Beschaffenheit des Gelenkelements, das von der Schwenkstange 4 getragen wird und das die Verbindung der Schwenkstange 4 mit dem ersten mechanischen Organ ermöglicht, anwendbar ist, kann das Gelenkelement, hier das kugelförmige Gelenkelement 2, durch plastisches Verformen eines Endteilstücks 10A des röhrenförmigen Rohlings 10 in dem Schritt (a) des Hydroformens, wie es insbesondere in 3 und 4 abgebildet ist, gebildet oder mindestens vorgearbeitet werden.
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Vorteilhaft kann das erste kugelförmige Gelenkelement 2, und genauer gesagt die Kugel 3, in diesem Fall eine hohle Kugel, somit mit der Schwenkstange 4, und genauer gesagt dem Ende 1A der Schwenkstange, einstückig gebildet sein, und zwar bevorzugt in dem gleichen Schritt des Hydroformens wie derjenige, der die Formgebung der übrigen Schwenkstange 4 ermöglicht.
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Somit ermöglicht das Hydroformen mindestens das Vorarbeiten der Kugel 3, d. h. ihr wenigstens teilweise ihre Wölbung zu verleihen, gemäß einem Außendurchmesser, der größer als der anfängliche Außendurchmesser (Urdurchmesser) D10 des röhrenförmigen Rohlings 10 ist.
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Zur Information kann man durch Hydroformen von einem anfänglichen Rohdurchmesser D10 zwischen 9 mm und 10 mm auf einen Durchmesser der Kugel 3 übergehen, der größer als 20 mm ist und insbesondere bei etwa 25 mm liegt.
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Gegebenenfalls kann die Funktionsfläche der Kugel 3 bei einem späteren Fertigstellungsvorgang beispielsweise durch Glattwalzen nachgearbeitet werden.
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Bevorzugt geht diese Nacharbeit nicht über (eine Reduzierung von) 0,5 mm am Radius der Kugel 3 hinaus.
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Gemäß einer anderen Umsetzungsmöglichkeit kann das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt (b) des Vormontierens umfassen, der bevorzugt dem Schritt (a) des Hydroformens vorangeht und bei dem man auf ein Endteilstück 10A des röhrenförmigen Rohlings 10 ein angesetztes kugelförmiges Gelenkelement 2 aufschiebt, das dazu eine Aufnahmesenkung 12 aufweist, deren Querdimensionen D12, und genauer gesagt deren Mindestdurchgangsdimensionen, anfänglich größer oder gleich denjenigen D10 des Endteilstücks 10A des röhrenförmigen Rohlings 10 sind, wie in 6 abgebildet.
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Dieses anfängliche radiale Spiel ermöglicht es vorteilhaft, das Ende 10A des röhrenförmigen Rohlings 10, oder sogar das Ende der fertigen oder halbfertigen Schwenkstange 4, in das kugelförmige Gelenkelement 2, und genauer gesagt in die dafür ausgehöhlte Kugel 3, frei einzustecken.
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Es sei zu beachten, dass der röhrenförmige Rohling 10 und die Schwenkstange 4 in der Praxis ein und demselben Objekt entsprechen, jeweils vor und nach der Verformung durch Hydroformen, so dass man zur Vereinfachung der Beschreibung das erste Ende 1A der Schwenkstange 4 mit dem entsprechenden Endteilstück 10A des röhrenförmigen Rohlings 10 vergleichen kann.
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Bevorzugt bildet die Aufnahmesenkung 12 in der Kugel 3 eine mittlere Aussparung, die im Wesentlichen entlang einem Durchmesser der Kugel 3 generiert wird.
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Die Senkung 12 kann blind sein, um beispielsweise die Positionierung der Kugel 3 zum Anschlag gegen den röhrenförmigen Rohling 10 zu ermöglichen, oder bevorzugt durchquerend, wie in 6 abgebildet, wobei die relative axiale Positionierung der Kugel 3 im Verhältnis zu dem röhrenförmigen Rohling 10 (oder umgekehrt) je nach Bedarf durch den Hohlraum der Form 11 selber sichergestellt werden kann.
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Die Form der Aufnahmesenkung 12 ist im Übrigen bevorzugt im Wesentlichen passend zu derjenigen des röhrenförmigen Rohlings 10.
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Nachdem der röhrenförmige Rohling 10, bzw. die (fertige oder halbfertige) Schwenkstange 4, in die Senkung 12 eingeführt wurde, kann man gemäß einer Ausführungsform das kugelförmige Gelenkelement 2 anhand von herkömmlichen Mitteln, wie etwa durch Frettieren, Schweißen und/oder Kleben, an der Schwenkstange 4 befestigen, und zwar gegebenenfalls entweder vor oder nach dem Hydroformen der Schwenkstange 4.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, die eine eigenständige Erfindung sein kann, kommt der Schritt (b) des Vormontierens jedoch vor dem Schritt (a) des Hydroformens, und während des Schritts (a) des Hydroformens wird die plastische Ausweitung E des Endteilstücks 10A des röhrenförmigen Teils 10 innerhalb der Aufnahmesenkung 12 verursacht, so dass das kugelförmige Gelenkelement 2 und die Schwenkstange 4 fest verbunden werden.
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Somit kann man die Trennung des kugelförmigen Gelenkelements 2, das mit der Schwenkstange 4 in Eingriff steht, verhindern und bevorzugt eine enge Befestigung des kugelförmigen Gelenkelements 2 an der Schwenkstange 4 (mit Unterdrückung der sechs möglichen Freiheitsgrade) durch die Verdickung des Endteilstücks 10A der Schwenkstange 4 innerhalb der Aufnahmesenkung 12 sicherstellen.
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Mit anderen Worten wird das Gelenkelement 2, und genauer gesagt die Kugel 3, das bzw. die anfänglich von dem röhrenförmigen Teil 10, und somit von der Schwenkstange 4, getrennt und unabhängig ist, bevorzugt in die Form 11 integriert, etwa wie ein Kern, und dann in dem Schritt (a) des Hydroformens durch einen umgekehrten Falzvorgang, bei dem man den Durchmesser des Endteilstücks 10A der Schwenkstange 4 vergrößert, das zuvor in die Aufnahmesenkung 12 eingefügt wurde, mit der Schwenkstange 4 verbunden, so dass die Wand des Teilstücks 10A ganz oder teilweise gegen die interne Wand der Aufnahmesenkung 12 zu liegen kommt.
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Vorteilhaft kann man somit gleichzeitig in einem einzigen Schritt einerseits die Formgebung des sichtbaren Teils der Schwenkstange 4, der sich aus der Aufnahmesenkung 12 heraus erstreckt, und andererseits ein schnelles und festes Montieren ihres verdeckten Teils, der das Endteilstück 10A bildet, das in die Aufnahmesenkung 12 eingefügt wird, mit dem kugelförmigen Gelenkelement 2 erzielen.
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Selbstverständlich kann man in Betracht ziehen, diese Befestigung bei Bedarf anhand von ergänzendem Kleben oder Schweißen zu verstärken.
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Wie in 6 abgebildet, weist die Aufnahmesenkung 12 des kugelförmigen Gelenkelements 2 an ihrer internen Wand bevorzugt radiale Halteerhöhungen 13 auf, wie mindestens eine Schulter 14 und/oder mindestens eine Abflachung und/oder mindestens eine Nut und/oder Rillen und/oder Riefen, um dem Endteilstück 10A der hydrogeformten Schwenkstange 4 einen besseren Halt zu verleihen.
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Genauer gesagt können die Erhöhungen 13 gegen einen verformten passenden Abschnitt der Schwenkstange 4 eine Einschränkung der Bewegung in axialer Translation, in radialer Translation und/oder in Drehung um die Leitachse (XX') des Gelenkelements 2 im Verhältnis zur Schwenkstange 4 sicherstellen.
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Bevorzugt können die Erhöhungen 13 eine Schulter 14 bilden, die eine radiale zentrifugale Abweichung bildet, wobei die Aufnahmesenkung 12 beispielsweise dazu eine ringförmige Auskehlung 15 umfassen kann, mit einem Durchmesser D15, der größer als derjenige D12 der Öffnungen zum Zugreifen auf die Aufnahmesenkung 12 ist, wobei sich die ringförmige Auskehlung 15 um die Leitachse (ZZ') herum wickelt, wie in 6 abgebildet, und wobei das Hydroformen des röhrenförmigen Teils 10 radial einen passenden Bund 16 entfaltet, der aus demselben Material mit der Schwenkstange 4 einstückig geformt wird und in der Lage ist, die Kugel mindestens in axialer Translation in beiden Richtungen zu blockieren.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Erhöhungen 13, und genauer gesagt die ringförmige Auskehlung 15, auf ihrem Umkreis eine oder mehrere Blockierungsabflachungen (nicht gezeigt) umfassen, die angeordnet sind, um die relative Drehung des Gelenkelements 2 auf der Schwenkstange 4 um die Leitachse (XX') zu blockieren, indem sie beispielsweise eine Struktur mit einer Kante, mit zwei diametral gegenüberliegenden Kanten oder mit vier, sechs oder sogar acht regelmäßigen Kanten bilden.
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Bevorzugt kann bzw. können die Blockierungsabflachung(en) dazu auf dem Boden der ringförmigen Auskehlung 15 eingerichtet sein und mit den passenden Abflachungen zusammenwirken, die an der Peripherie des Bundes 16 der Schwenkstange 4 angeordnet sind.
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Alternativ oder ergänzend kann man zum drehmäßigen Blockieren der Verbindung eine raue geriffelte Struktur, die beispielsweise durch Rändeln der Oberflächen erzielt wird, die miteinander in Kontakt gebracht werden, oder eine axial gerillte Struktur in Betracht ziehen.
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Selbstverständlich kann man an den Halteerhöhungen 13 gleichmäßige Übergänge nach Art von Abfasungen, Abrundungen oder Ausrundungen bereitstellen, um die Entfaltung ohne Anstoßen und insbesondere ohne Zerreißen des Materials, aus dem der röhrenförmige Rohling 10 und demnach die Schwenkstange 4 besteht, gegen die Erhöhungen 13 während des Hydroformens zu begünstigen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren bevorzugt nach dem Schritt (a) des Hydroformens einen Schritt (c) des Verschließens, bei dem man die Schwenkstange 4 mindestens an dem Ende 1A der Schwenkstange, welches das kugelförmige Gelenkelement 2 trägt, verschließt.
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Wie in 4 schematisch dargestellt, kann man dazu einen Verschluss 17 in die Bohrung (Aussparung 4I) der Schwenkstange 4, d. h. in das Innere 10I des röhrenförmigen Teils 10, setzen und einpressen.
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Der Verschluss 17 kann einen zylindrischen Körper aufweisen, dessen Form zu derjenigen der Bohrung der Schwenkstange 4 passt (und den endgültigen Abmessungen der Bohrung entspricht), die in diese Bohrung eingeklemmt wird, gegebenenfalls nachdem der Körper durch die Kugel 3 gegangen ist (wobei in diesem Fall ein ausreichend langer Verschlusskörper bereitzustellen ist).
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Die Befestigung des Verschlusses 17 kann bei Bedarf durch Kleben sichergestellt oder verstärkt werden.
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Die externe sichtbare Seite, die den Kopf des Verschlusses 17 bildet, kann beispielsweise flach sein oder aber in Form einer kugelförmigen Kuppe vorliegen, deren Radius im Wesentlichen gleich dem der Kugel 3 ist.
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Die sichtbare Oberfläche des Verschlusses 17 befindet sich bevorzugt von der sichtbaren Funktionsfläche der Kugel 3 zurückgesetzt oder fluchtet höchstens mit der sichtbaren Funktionsfläche der Kugel 3, um die Drehbewegungen des entsprechenden Kugelgelenks nicht zu stören.
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Unabhängig von seiner Anordnung bewirkt der Verschluss 17 vorteilhaft die Erstellung einer blinden Schwenkstange 4, die mindestens für das Schmiermittel dicht ist, das in der Kugelgelenk-Verbindung verwendet wird, um ein Auslaufen von Schmiermittel in Richtung auf oder durch die Schwenkstange 4 zu vermeiden.
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Da das kugelförmige Gelenkelement 2 bevorzugt dazu gedacht ist, an einem ersten Ende 1A der Schwenkstange 4 befestigt zu sein, umfasst das Verfahren einen Schritt (d) des Ausbildens eines Kopplungsteilstücks mit Gewinde 20, bei dem man auf einem Teilstück 20, das sich an dem anderen Ende 1B der Schwenkstange 4 befindet, entweder durch Außengewindeschneiden der externen Oberfläche der Schwenkstange 4, beispielsweise durch Rollen, oder durch Innengewindeschneiden der internen Oberfläche der Schwenkstange 4, beispielsweise durch Rollen, eine Gewindesteigung erstellt, um an diesem zweiten Ende 1B ein Endstück 6 ansetzen zu können, das ein zweites kugelförmiges Gelenkelement 7, wie etwa ein Kugellager 8, trägt.
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Der Endstück 6 kann somit vorteilhaft durch Anschrauben an das Kugelgelenk-Verbindungsorgan 1 und genauer gesagt an das Ende 1B der Schwenkstange 4 angesetzt werden, das demjenigen 1A axial gegenüberliegt, an dem die Kugel 3 gebildet oder gefalzt ist, um eine vollständige zweckmäßige Schubstange 5 wiederherzustellen, wie in 2 und 7 bis 9 abgebildet.
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Bevorzugt blockiert eine Gegenmutter 21 diese Schraubmontage.
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Es sei im Übrigen zu beachten, dass eine derartige Schraubmontage, die ansonsten leicht zugänglich ist, den Vorteil aufweist, eine freie und präzise Einstellung des Mittenabstands L der Schubstange 5 (d. h. des Abstands, der die Mitte O2 des ersten kugelförmigen Gelenkorgans 2 von der Mitte O7 des zweiten kugelförmigen Gelenkorgans 7 trennt) und demnach gegebenenfalls eine Einstellung des Parallelismus der Leiträder des derart ausgestatteten Fahrzeugs zu bieten.
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Im Übrigen wird bzw. werden in dem Schritt (a) des Hydroformens bevorzugt durch Hydroformen auf der externen Oberfläche der Schwenkstange 4 von dem ersten Gelenkelement 2 entfernt eine oder mehrere Abflachungen 22 gebildet, die bevorzugt regelmäßig in einer Struktur mit vier oder sechs Kanten angeordnet sind, wobei die Abflachungen 22 ausgelegt sind, um das Ergreifen und Betätigender Schwenkstange 4 drehmäßig um ihre Längsachse (XX') herum zu ermöglichen.
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Eine derartige Anordnung kann insbesondere das Halten der Schwenkstange 4 beim Schrauben des Endstücks 6 und bei der Einstellung des Parallelismus erleichtern.
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Im Übrigen sei zu beachten, dass man insgesamt auf ähnliche Art und Weise durch Hydroformen gleichzeitig alle oder einen Teil der zweckmäßigen Strukturen der Schwenkstange 4, die an dieser entlang vorliegen, erstellen oder mindestens vorarbeiten kann.
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Außer der Kugel 3, dem Bund 16 und/oder den Abflachungen 22 kann man somit zusätzlich oder alternativ durch Hydroformen eine Auskehlung zum Befestigen des Zahnstangenbalgs 23, eine Unterschneidung 24, welche die Verbindung der Schwenkstange 4 mit der Grundfläche der Kugel 3 sicherstellt, usw. bilden.
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Auch hier ergibt die Verwendung des Hydroformens eine nennenswerte Ersparnis an Herstellungszeit und -vorgängen.
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Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren zum Herstellen einer Lenkstange 5 für Kraftfahrzeuge.
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Ein derartiges Verfahren eignet sich in der Tat gut für eine Herstellung in großen Mengen, um das Werkzeug und insbesondere die Form 11 rentabel zu machen, indem hoher Fertigungsausstoss angestrebt wird und indem in dieser Größenordnung eine erhebliche Ersparnis an Rohmaterial erzielt wird.
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Die Erfindung betrifft selbstverständlich als solche eine Schubstange 5, und genauer gesagt eine Lenkstange, die eine Schwenkstange 4 umfasst, die an einem ihrer Enden 1A mit einer Gelenkkugel 3 versehen ist, die für eine Kugelgelenk-Verbindung gedacht ist, wobei die Schwenkstange 4 aus einer hohlen Röhre gebildet ist, die über den größten Teil oder sogar die Gesamtheit ihrer Länge ausgehöhlt ist und deren ausgehöhlter Abschnitt sich in der Gelenkkugel 3 erstreckt oder diese sogar durchsetzt.
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Mit anderen Worten ist die Schwenkstange 4 über den größten Teil oder sogar bevorzugt über die Gesamtheit ihrer Gesamtlänge, und genauer gesagt von dem Kopfende, das die Kugel 3 trägt, bis zu dem freien Ende des Teilstücks mit Gewindeschaft 20 einer Hohlröhre, deren hohler Abschnitt in die Gelenkkugel 3 eindringt oder diese ganz durchsetzt oder sogar in diese übergeht, einstückig gebildet.
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Wie zuvor angegeben, kann die Kugel 3 in dieser Hinsicht entweder mit der Schwenkstange 4 aus demselben Material einstückig geformt sein und durch Verformen eines selben gemeinsamen röhrenförmigen Rohlings 10 gebildet sein, oder aber getrennt vorgeformt, dann angesetzt und an einem Ende der Schwenkstange 4, das sie abdeckt, befestigt sein.
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Es versteht sich, dass die Erfindung keineswegs nur auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt ist, wobei der Fachmann insbesondere in der Lage ist, das eine oder andere der zuvor erwähnten Kennzeichen zu isolieren oder beliebig miteinander zu kombinieren oder durch Äquivalente zu ersetzen.
