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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Lenkgetrieberitzels sowie ein Lenkgetrieberitzel insbesondere für ein Kraftfahrzeuglenkgetriebe.
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Kraftfahrzeuglenkgetriebe werden seit vielen Jahrzehnten und heute immer noch, trotz Ausrüstung vieler Fahrzeuge mit elektrischer Lenkung, mit einem an einer Lenkwelle beziehungsweise Lenksäule angeschlossenen Lenkgetrieberitzel versehen, welches in einem kämmenden Eingriff mit einer Verzahnung einer Zahnstange des Lenkgetriebes steht. Die Zahnstange ist in der Regel der Mittelteil einer mehrteiligen Spurstange.
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Ein solches Lenkgetriebe und damit auch das Lenkgetrieberitzel ist im Einsatz erheblichen Kräften ausgesetzt. Um einen frühzeitigen Verschleiß zu vermeiden werden Oberflächen des Lenkgetrieberitzels gehärtet, insbesondere jener axiale Abschnitt, der die Außenverzahnung trägt. Häufig ist neben dem die Außenverzahnung tragenden Abschnitt ein Ringabschnitt für ein Lager vorgesehen, der gegebenenfalls ebenso gehärtet wird. Dieser Ringabschnitt kann beispielsweise einen Lagerinnenring aufnehmen oder darstellen. Um das Lenkgetrieberitzel mittels der Lenkwelle drehen zu können, weist es ferner einen Mitnahmeabschnitt mit einer Mitnahme zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung, insbesondere mit einer Hinterschneidung auf, wobei der Mitnahmeabschnitt insbesondere an den dem axialen Ende mit dem Ringabschnitt entgegengesetzten axialen Ende des Lenkgetrieberitzels angeordnet ist.
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Die verschiedenen axialen Abschnitte weisen in der Regel verschiedene Außendurchmesser auf, sodass Absätze und Bünde entstehen. Dies wiederum erschwert das Härten der Oberflächen, insbesondere wenn hierfür das für die Serienproduktion besser geeignete Induktionshärten verwendet wird. So drohen nämlich vorstehende Absätze zu verbrennen beziehungsweise zu verspröden. Wenn hingegen Einsatzhärten als Härtverfahren verwendet wird, so werden hierdurch bestimmte Anforderungen an die Werkstofflegierungen der Bauteile gestellt, was zu vergleichsweise hohen Herstellungskosten führt. Auch ist das Einsatzhärten als solches vergleichsweise aufwändig und damit teuer.
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Um die Lenkgetrieberitzel besser an die Randbedingungen des Induktivhärtens anzupassen, sollten bisher konstruktive Gestaltungen gewählt werden, die vergleichsweise große Sprünge in den Außendurchmessern der verschiedenen axialen Abschnitte vermeiden. Eine solche Anforderung ist jedoch mit Nachteilen bei der mechanischen Bearbeitung verbunden und kann nicht immer in Einklang mit Kundenwünschen gebracht werden, die verschiedene Verzahnungen und verschiedene Außendurchmesser der Außenverzahnung des Lenkgetrieberitzels fordern, je nach Anwendungsfall. Darüber hinaus führen die kundenspezifischen Konstruktionen zu einer Bauteilvielfalt, die einer besonders kostengünstigen Massenteilproduktion entgegensteht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Lenkgetrieberitzels sowie ein Lenkgetrieberitzel anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeiden und eine kostengünstige Produktion eines Lenkgetrieberitzels trotz verschiedener Kundenanforderungen ermöglichen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Lenkgetrieberitzel mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Lenkgetrieberitzel hergestellt, welches in einem Lenkgetriebe, insbesondere Kraftfahrzeuglenkgetriebe, zum Eingriff mit und zum Verschieben einer Zahnstange vorgesehen ist, beispielsweise wie in der Beschreibungseinleitung dargestellt wurde. Das Lenkgetrieberitzel weist wenigstens einen eine Mitnahme aufweisenden Mitnahmeabschnitt, einen eine Außenverzahnung tragenden Abschnitt sowie einen Ringabschnitt für ein Lager auf.
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Erfindungsgemäß wird nun ein Kernteil hergestellt, das den Mitnahmeabschnitt, den Ringabschnitt und einen Kernabschnitt aufweist, und zeitlich vorher, nachher oder gleichzeitig wird ein Verzahnungsteil getrennt von dem Kernteil hergestellt, wobei das Verzahnungsteil eine Hülsenform aufweist, mit der Außenverzahnung des Lenkgetrieberitzels auf der Außenseite und mit einer von der Außenverzahnung umschlossenen inneren Oberfläche, die beispielsweise durch eine Kernbohrung geschaffen wird.
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Die getrennt voneinander hergestellten Bauteile – das Kernteil und das Verzahnungsteil – werden nun erfindungsgemäß zusammengefügt und miteinander verbunden, indem das Verzahnungsteil auf den Kernabschnitt des Kernteils aufgeschoben und gefügt wird, sodass das Verzahnungsteil drehstarr auf dem Kernabschnitt gelagert ist. Es versteht sich von selbst, dass das Aufschieben des Verzahnungsteils auf den Kernabschnitt durch axiales Bewegen des Kernteils und/oder des Verzahnungsteils erfolgen kann.
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Besonders vorteilhaft wird nun das Verzahnungsteil getrennt von dem Kernteil gehärtet, insbesondere einsatzgehärtet. Jedoch kommen prinzipiell auch andere Härtverfahren in Betracht, beispielsweise Induktivhärten. Das Härten kann dadurch, dass das Verzahnungsteil getrennt von dem Kernteil gehärtet wird und insbesondere frei von nennenswerten Durchmessersprüngen und/oder Absätzen ist, einfach und kostengünstig erfolgen, quasi als Schüttgut des Verzahnungsteils. Das Kernteil hingegen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird überhaupt nicht gehärtet oder es werden nur einzelne, in der Regel unproblematische axiale Abschnitte gehärtet, beispielsweise durch Induktionshärten.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Kernteil aus einem ersten Werkstoff gefertigt und das Verzahnungsteil wird aus einem zweiten zum ersten Werkstoff verschiedenen Werkstoff gefertigt. Der erste Werkstoff ist beispielsweise ein Baustahl oder Grundstahl beziehungsweise kohlenstoffarmer Stahl. Beispielsweise beträgt der Kohlenstoffgehalt weniger als 0,25 Gew.-%. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann auch ein Leichtbaustoff verwendet werden, beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
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Für den zweiten Werkstoff kann insbesondere ein Vergütungsstahl gewählt werden, wobei der zweite Werkstoff insbesondere einen höheren Kohlenstoffanteil als der erste Werkstoff aufweist. Beispielsweise beträgt der Kohlenstoffgehalt 0,25 Gew.-% oder mehr, insbesondere ein Vielfaches hiervon. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Verzahnungsteil auf das Kernteil aufgeschrumpft, das heißt schrumpfgefügt. Zusätzlich oder alternativ kann das Verzahnungsteil stoffschlüssig mit dem Kernteil verbunden werden, insbesondere durch Laserschweißen. Beispielsweise kann stirnseitig des Verzahnungsteils eine entsprechende Laserschweißung vorgesehen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Kernabschnitt des Kernteils eine zylinderförmige äußere Oberfläche auf und der Verzahnungsteil weist eine zylinderförmige innere Oberfläche auf, sodass die zylinderförmige innere Oberfläche auf die zylinderförmige äußere Oberfläche gefügt werden kann, ohne dass eine Hinterschneidung in Umfangsrichtung entsteht. Die Kraftübertagung zwischen den beiden Bauteilen erfolgt dann durch Stoffschluss und/oder Reibschluss.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verzahnungsteil nach dem Fügen auf das Kernteil fertigbearbeitet. Beispielsweise wird es nach dem Fügen auf das Kernteil geschliffen und/oder durch Fräsen bearbeitet, beispielsweise kommt Abwälzschleifen und/oder Abwälzfräsen in Betracht, um die Außenverzahnung fertigzustellen.
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Vorteilhaft wird das Kernteil im Bereich seines dem Mitnahmeabschnitt abgewandten Endes mit dem Ringabschnitt versehen, wobei der Kernabschnitt zwischen dem Mitnahmeabschnitt und dem Ringabschnitt positioniert wird, insbesondere unmittelbar angrenzend an den Ringabschnitt.
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Der Ringabschnitt und der Kernabschnitt können gemäß einer Ausführungsform der Erfindung denselben Außendurchmesser aufweisen beziehungsweise mit demselben Außendurchmesser hergestellt werden.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass das Kernteil auch bei verschiedenen Ausgestaltungen der Außenverzahnungen nach Kundenwunsch identisch hergestellt werden kann und somit die Vorteile einer in der Stückzahl größeren Massenproduktion genutzt werden können. Eine Anpassung des Lenkgetrieberitzels an den speziellen Anwendungsfall beziehungsweise Kundenwunsch kann dann ausschließlich durch Anpassen des Verzahnungsteils erreicht werden, insbesondere indem das Verzahnungsteil mit einem kundenspezifischen Außendurchmesser und/oder einer kundenspezifischen Verzahnungsgeometrie hergestellt wird. Das bedeutet, wenn mehrere zueinander verschiedene Lenkgetrieberitzel hergestellt werden, dass die Kernteile der verschiedenen Lenkgetrieberitzel identisch zueinander hergestellt werden und die Verzahnungsteile mit verschiedenen Außendurchmessern und/oder Verzahnungsgeometrien hergestellt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Lenkgetrieberitzel weist entsprechend wenigstens einen eine Mitnahme aufweisenden Mitnahmeabschnitt, einen eine Außenverzahnung tragenden Abschnitt und einen Ringabschnitt zur Aufnahme eines Lagers auf. Der die Außenverzahnung tragende Abschnitt weist einen Kernabschnitt mit einer äußeren, insbesondere zylindrischen Oberfläche auf, sowie ein Verzahnungsteil in Hülsenform mit der Verzahnung auf der Außenseite und einer von dieser umschlossenen inneren Oberfläche. Das Verzahnungsteil ist mit seiner inneren Oberfläche, die insbesondere ebenfalls zylindrisch ausgeführt ist, auf die äußere Oberfläche des Kernteils gefügt, insbesondere aufgeschrumpft.
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Selbstverständlich können die zuvor anhand des Verfahrens dargestellten Details bei dem erfindungsgemäßen Lenkgetrieberitzel angewendet werden. Beispielsweise kann das Verzahnungsteil stoffschlüssig mit dem Kernabschnitt beziehungsweise dem Kernteil, welches den Kernabschnitt trägt, verbunden werden.
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Insbesondere wird der die Außenverzahnung tragende Abschnitt ausschließlich durch den Kernabschnitt und das Verzahnungsteil in Hülsenform gebildet.
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Obwohl vorliegend Ausführungsformen mit einer zylindrischen äußeren Oberfläche des Kernteils und einer zylindrischen inneren Oberfläche des Verzahnungsteils dargestellt wurden, sind auch andere Geometrien vorstellbar. Beispielsweise können in wenigstens einer der beiden einander gegenüberstehenden Oberflächen Abflachungen und/oder Aussparungen vorgesehen sein, die mit entsprechenden Abflachungen und/oder Vorsprüngen der anderen Oberfläche zusammenarbeiten, um eine Hinterschneidung beziehungsweise einen Formschluss in Umfangsrichtung (Drehrichtung) zu bilden.
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Die Außenverzahnung ist vorteilhaft als Schrägverzahnung, insbesondere als Helixverzahnung ausgeführt. Eine solche Helixverzahnung ist eine Schraubenverzahnung, da sie schraubenförmig entlang des die Außenverzahnung tragenden Abschnitts verläuft.
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Wenn die Außenverzahnung nach dem Fügen des Verzahnungsteis auf das Kernteil fertigbearbeitet wird, so wird das Verzahnungsteil vorteilhaft mit einem Aufmaß auf der Außenverzahnung hergestellt und dieses Aufmaß wird erst nach dem Fügen des Verzahnungsteils auf das Kernteil abgetragen.
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Beim Aufschieben des Verzahnungsteils auf das Kernteil kann dieses insbesondere an einem axialen Bund des Kernteils anstoßen und dadurch eine definierte Position auf dem Kernteil erhalten. Ein solcher Bund kann insbesondere durch einen Abschnitt des Kernteils beziehungsweise des Lenkgetrieberitzels hergestellt werden, auf welchem ein Sensor montiert wird, der im Betrieb des Lenkgetriebes die Drehstellung des Lenkgetrieberitzels erfasst.
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Obwohl vorliegend das Verzahnungsteil mit einer Außenverzahnung dargestellt wurde, die über die gesamte Oberfläche des Verzahnungsteils reicht, kann das Verzahnungsteil prinzipiell auch mit einer Außenverzahnung hergestellt werden, die nur über einen Teil der axialen Länge des Verzahnungsteils reicht.
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Das Aufschieben des Verzahnungsteils auf den Kernabschnitt des Kernteils muss nicht zwingend ausschließlich in Axialrichtung erfolgen, alternativ kommt auch eine Drehschiebebewegung in Betracht. Prinzipiell ist es sogar vorstellbar, das Verzahnungsteil mittels eines Gewindes mit dem Kernteil zu verschrauben, indem beispielsweise zumindest ein Teil der inneren Oberfläche mit einem Innengewinde versehen ist und wenigstens ein Teil der äußeren Oberfläche mit einem Außengewinde versehen ist. Eine solche Ausführungsform würde jedoch die Herstellungskosten erhöhen, da die Gewinde entsprechend eingebracht werden müssen.
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Vorteilhaft ist die äußere Oberfläche des Kernabschnitts mit einem konstanten Durchmesser gestaltet und die innere Oberfläche des Verzahnungsteils weist vorteilhaft einen konstanten Innendurchmesser auf. Jedoch ist es prinzipiell auch möglich, einen variierenden Durchmesser oder Stufen vorzusehen.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eins Ausführungsbeispiels und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäß hergestelltes Lenkgetrieberitzel in einer Draufsicht;
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2 eine schematische Darstellung des die Außenverzahnung tragenden Abschnitts des Lenkgetrieberitzels aus der 1;
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3 eine schematische Darstellung des Lenkgetrieberitzels aus den 1 und 2 vor dem Fügen des Verzahnungsteils auf den Kernteil.
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Das Lenkgetrieberitzel gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in den 1 bis 3 dargestellt ist, weist einen Mitnahmeabschnitt 1, einen eine Außenverzahnung 8 tragenden Abschnitt 2 sowie einen Ringabschnitt 3 auf, letzterer zur Aufnahme eines Lagers. Im gezeigten Ausführungsbeispiel schließt sich an den Ringabschnitt 3 am ersten axialen Ende 4, das dem zweiten axialen Ende 5 mit dem Mitnahmeabschnitt 1 entgegengesetzt ist, noch ein Gewindeabschnitt 6 an, auf welchen ein Konterelement zum Halten des Lagers (nicht dargestellt) auf den Ringabschnitt 3 aufgeschraubt werden kann. Zwischen dem Mitnahmeabschnitt 1 und dem die Außenverzahnung 8 tragenden Abschnitt 2 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ferner ein Sensorabschnitt 7 vorgesehen, auf welchem ein Sensor zur Erfassung der Drehstellung des Lenkgetrieberitzels vorgesehen werden kann, wenn dieses mit seiner Außenverzahnung 8 die Zahnstange 9 verschiebt.
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Zum Verschieben der Zahnstange 9 durch Drehung des Lenkgetrieberitzels wird über den Mitnahmeabschnitt 1 am zweiten axialen Ende 5 ein Drehmoment in das Lenkgetrieberitzel eingeleitet. Hierfür weist der Mitnahmeabschnitt 5 eine Mitnahme 10 auf, über welche eine formschlüssige Verbindung mit einem Antrieb (nicht dargestellt) hergestellt werden kann.
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In der 2 ist die Außenverzahnung des Abschnitts 2 nicht dargestellt, ebenso wenig der Mitnahmeabschnitt. Dafür ist durch die gestrichelte Linie herausgestellt, dass der Abschnitt 2 für die Außenverzahnung durch ein Verzahnungsteil 11 in Form einer Hülse gebildet wird, welche auf ein Kernteil 12 gefügt ist. Das Kernteil 12, welches auch in der 3 nochmals getrennt vom Verzahnungsteil 11 dargestellt ist, weist den Mitnahmeabschnitt 1 (siehe die 1), den Ringabschnitt 3 und einen Kernabschnitt 13 auf.
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Das Verzahnungsteil 11 trägt auf seiner Außenseite die Außenverzahnung 8 und hat eine innere Oberfläche 14, die vorteilhaft gegengleich zur äußern Oberfläche 15 des Kernabschnitts 13 gestaltet ist. Somit kann das Verzahnungsteil 11 axial auf den Kernteil 12 geschoben werden, bis es in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel am Bund 16 neben dem Kernabschnitt 13, beispielsweise gebildet durch den Sensorabschnitt 7, anstößt.
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Somit können das Verzahnungsteil 11 und das Kernteil 12 getrennt voneinander hergestellt werden, vorteilhaft aus auf die jeweilige Bearbeitung und die jeweilige im Betrieb auftretende Beanspruchung optimierten verschiedenen Werkstoffen. Zudem ist es besonders leicht möglich, die Außenverzahnung 8 des Verzahnungsteils 11 zu härten, da das Verzahnungsteil 11 getrennt vom Kernteil 12 gehärtet werden kann.
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Die getrennte Herstellung des Verzahnungsteils 11 und des Kernteils 12 schließt nicht aus, dass nach dem Fügen des Verzahnungsteils 11 auf das Kernteil 12 eine Fertigbearbeitung erfolgt, beispielsweise der Außenverzahnung 8 und/oder anderer Abschnitte, beispielsweise auch des Ringabschnitts 13, um eine exakte Ausrichtung der Abschnitte zueinander zu erreichen.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Sensorabschnitt 7 Bohrungen 17, insbesondere Sacklöcher auf, in welchen ein hier nicht näher dargestellter Sensor verstemmt werden kann. Dies ist jedoch nur eine Option.
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Ferner kann das zweite axiale Ende 5 mit einer Axialbohrung 18 versehen sein, die in der 1 schematisch angedeutet ist. Diese kann beispielsweise einen Drehstab für das Lenkgetriebe aufnehmen.
