DE19901425A1

DE19901425A1 - Rohrförmiges Zahnstangenwerkstück und Verfahren zu dessen Herstellung, insbesondere für Zahnstangenlenkungen von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE19901425A1
Application number: DE1999101425
Authority: DE
Original assignee: UMFORMTECHNIK BAUERLE GmbH
Current assignee: UMFORMTECHNIK BAUERLE GmbH
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2000-07-27
Anticipated expiration: 2019-01-19
Also published as: DE19901425C2

Abstract

Ein rohrförmiges Zahnstangenwerkstück (2) weist eine Bohrung (3) mit durch Umformung hergestellte Längenabschnitte (3.1, 3.2) mit unterschiedlichen Durchmessern (3.3, 3.4) auf, zwischen den Längenabschnitten (3.3, 3.4) liegt ein Bereich (4) eines freien Materialflusses als Übergang und das Zahnstangenwerkstück (2) besitzt eine um ca. 50% erhöhte Festigkeit bei gleichzeitiger Vergrößerung der Länge und Verringerung des Außendurchmessers gegenüber der Länge und dem Außendurchmesser des Ausgangswerkstückes, wobei der Längenabschnitt (3.1) mit dem kleineren Durchmesser (3.3) der Bohrung für die Anbringung der Verzahnung (5) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein rohrförmiges Zahnstangenwerkstück und ein Verfahren zu dessen Herstellung aus einem runden Vollmaterial, insbesondere für Zahnstangenlenkungen von Kraftfahrzeugen.

Rohrförmige Zahnstangen sind nach DE 40 06 038 A1 bekannt, bei denen auf einem Teilbereich der Außenwand ein. Zahnabschnitt vorgesehen ist. Dieser Zahnabschnitt besteht aus einem Zahnteil, der mit dem hohlen Grundkörper verbunden ist. Infolge der technologisch getrennten Fertigung von Zahnteil und Grundkörper erfordert das Fügen beider Teile einen besonderen Aufwand. Nach einer alternativen Lehre wird vorgeschlagen, die rohrförmige, hohle Zahnstange einstückig herzustellen, beispielsweise durch Umformung eines rohrförmigen Grundkörpers mittels eines Innenhochdruckumformverfahrens. Anschließend wird durch Taumelpressen die Verzahnung hergestellt. Dabei ist der Hohlraum im Verzahnungsbereich des Grundkörpers während der Umformung mit einem plastischen Material ausgefüllt. Der Querschnitt dieser rohrförmigen Zahnstange zeigt - trotz erzielter Leichtbauweise - einen ungünstigen Kraftverlauf mit gefährdeten Querschnitten, die zu Brüchen führen können.

Derartige hohle Zahnstangen sollen deshalb nicht nur leicht sein, sondern haben auch mittels des durchgehenden Hohlraumes in der Zahnstange den Druckausgleich zwischen den beiden Faltenbälgen zu realisieren, die bei Verwendung z. B. in Kraftfahrzeugen an den Enden der Zahnstangenlenkung angebracht sind. Um Leichtbauweise und Belastbarkeit von Zahnstangen zu optimieren, wurden gemäß der EP 0099311 A1 Abflachungen im Bereich der Verzahnung an der Außenfläche und an der Innenfläche des Hohlraumes der Zahnstange parallel benachbart zueinander vorgesehen. Beide Abflachungen liegen - ausgehend von der Längsmittelachse der Zahnstange - auf einer Seite, so daß sich bei der Herstellung der Verzahnung die Zahnstange nachteilig verziehen kann.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird nach der DE 42 31 792 A1 der Rohling mit dem durchgehenden Hohlraum, der wenigstens im Bereich der Verzahnung einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit einer Abflachung aufweist, so gestaltet, daß die Abflachungen der Außenfläche und einer Innenfläche des Hohlraumes einander abgewandt gegenüberliegen. Somit ist der gekrümmte Teil des D-förmigen Querschnittes zur Abflachung der Außenfläche hin gerichtet. Hierdurch wird eine festigkeitsmäßig und statisch günstige Gewölbebildung als formstabiler Bereich im Abschnitt der anzubringenden Verzahnung erzielt. Nachteilig ist hierbei jedoch ein höherer technologischer und Werkzeugaufwand für die Einhaltung der Lage der Abflachungen.

Betrachtet man darüber hinaus den weiteren technologischen Hintergrund, wie er z. B. nach der EP 0 110 918 B1 und der EP 0572 105 B1 offenbart wurde, wird deutlich, wie kompliziert und aufwendig die konstruktive Entwicklung und technologische Gestaltung von rohrförmigen Zahnstangen verfolgt wurde.

Allgemein ist nachteilig, daß das Material für die Zahnstangenrohlinge aus Festigkeitsgründen vergütet sein muß, was die Kosten erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein technologisch und kostenmäßig günstig herstellbares rohrförmiges Zahnstangenwerkstück, insbesondere für Zahnstangenlenkungen von Kraftfahrzeugen, und ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen. Dabei sollen stets ein rohrförmiger, runder Querschnitt erhalten bleiben, der durch das Umformen bedingte Faserverlauf des Materials nicht zerschnitten und ein verändertes Festigkeits- und Formverhältnis zwischen dem Ausgangswerkstück vor dem Umformen und dem fertigen Zahnstangenwerkstück nach dem Umformen vor der Anbringung der Verzahnung erzielt werden.

Somit kann insgesamt auf ein nichtvergütetes Ausgangsmaterial zurückgegriffen und das Zahnstangenwerkstück hinsichtlich eines rationelles Verhältnisses zwischen erforderlicher konstruktiver Festigkeit und kostengünstiger Herstellung unter Beibehaltung seiner sicheren Funktionalität gestaltet werden.

Erfindungsgemäß weist das rohrförmige Zahnstangenwerkstück nach Anspruch 1 eine Bohrung mit durch Umformung hergestellte Längenabschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern auf. Zwischen den Längenabschnitten liegt ein Bereich eines freien Materialflusses als Übergang. Das Zahnstangenwerkstück besitzt nach der Umformung eine um ca. 50% erhöhte Festigkeit bei gleichzeitiger Vergrößerung der Länge und Verringerung des Außendurchmessers gegenüber der Länge und dem Außendurchmesser des Ausgangsstückes. Dabei ist der Längenabschnitt mit dem kleineren Durchmesser für die Anbringung der Verzahnung vorgesehen.

Die für das so zu gestaltende Zahnstangenwerkstück erforderliche Fertigungsschrittfolge sieht nach Anspruch 2 vor:

a) Ein planes Ablängen eines nicht vergüteten, geschälten, gerichteten, vollen Rundmaterials auf ein Maß, welches wesentlich geringer als die Länge, jedoch im Durchmesser größer als der des fertigen Zahnstangenwerkstückes ist, und anschließendes axiales Tieflochbohren zur Herstellung der Bohrung und Erzeugung des rohrförmigen Querschnittes für das Ausgangswerkstück,
b) eine spanlose, kalte Umformung vorstehenden Ausgangswerkstückes zu dem Zahnstangenwerkstück, derart, daß das Zahnstangenwerkstück gegenüber dem Ausgangswerkstück gelängt und der Außendurchmesser zugleich verringert wird, dabei die Bohrung im zweiten Längenabschnitt von einem den ursprünglichen Durchmesser der Bohrung aufrechterhaltenden Dorn aufgenommen wird und im dornfreien ersten Längenabschnitt einen verkleinerten Durchmesser gegenüber dem Durchmesser der vom Dorn aufgenommenen Bohrung im zweiten Längenschnitt erhält und
c) die Erzeugung einer um ca. 50% erhöhten Festigkeit des Zahnstangenwerkstückes gegenüber dem Ausgangswerkstück mittels der spanlosen Kaltumformung.

Die Erfindung zeigte im Ergebnis, daß ein Zahnstangenwerkstück der eingangs genannten Gattung überraschend einfach technologisch beherrschbar bei Aufrechterhaltung seiner konstruktiven Funktionalität ist.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 das rohrförmige Ausgangswerkstück vor der spanlosen Umformung und

Fig. 2 das rohrförmige Zahnstangenwerkstück nach der spanlosen Umformung.

Entsprechend der empirisch gefundenen technologisch günstigen Fertigungsschrittfolge wird zunächst aus einem bereits vergüteten runden Vollmaterial durch herkömmliches Schälen, Richten, planes Ablängen und Tieflochbohren ein rohrförmiges Ausgangswerkstück 1 gemäß Fig. 1 hergestellt.

Dieses Ausgangswerkstück 1 ist gegenüber dem umzuformenden Zahnstangenwerkstück 2 verhältnismäßig kurz, beispielsweise 452 mm lang, und weist einen Durchmesser von beispielsweise 29 mm auf. Die ausgehend von beiden Planflächen hergestellte, durchgehende Bohrung 3 besitzt einen Durchmesser von z. B. 12,5 mm.

Das so vorbereitete rohrförmige Ausgangswerkstück 1 wird einer spanlosen Kaltumformung unterzogen, um das fertige Zahnstangenwerkstück 2 zu erhalten. Die spanlose, kalte Umformung erfolgt so, daß das Zahnstangenwerkstück 2 gegenüber dem Ausgangswerkstück 1 auf z. B. 626 mm gelängt und der Außendurchmesser auf z. B. 24 mm verringert wird. Dabei wird die Bohrung 3 in einem Längenabschnitt 3.2 von einem Dorn aufgenommen. Im dornfreien Längenabschnitt 3.1 erhält die Bohrung 3 infolge der Kaltumformung einen verkleinerten Durchmesser von z. B. 5 mm gegenüber dem Durchmesser von z. B. 12,5 mm der vom Dorn aufgenommenen Bohrung 3 im Längenabschnitt 3.2. Im Ergebnis der Umformung wird das Zahnstangenwerkstück 2 gegenüber dem Ausgangswerkstück 1 von z. B. 600 N/mm² auf 930 N/mm² um ca. 50% verfestigt.

Das verfahrensgemäß so hergestellte rohrförmige Zahnstangenwerkstück 2 besitzt somit eine axial durchgehende Bohrung 3, die mittels der Umformung hergestellte Längenabschnitte 3.1, 3.2 mit unterschiedlichen Durchmessern 3.3, 3.4 aufweist. Zwischen den Längenabschnitten 3.1, 3.2 befindet sich ein Bereich 4 eines freien Materialflusses mit vorteilhaftem Übergang. Der Längenabschnitt 3.1 mit dem kleineren Durchmesser 3.3 der Bohrung 3 ist für die Anbringung der Verzahnung 5 vorgesehen.

Das Zahnstangenwerkstück 2 ist kostengünstig herstellbar und für die Verzahnung 5 technologisch und festigkeitsmäßig gut vorbereitet. Der statisch vorteilhafte rohrförmige, runde Querschnitt gewährleistet ein gutes Festigkeitsverhalten, welches infolge der erfindungsgemäßen Umformung in den zuvor kritischen Zonen noch verstärkt wird.

Für die schließlich anzubringende Verzahnung 5 im Längenabschnitt 3.1 ist dadurch eine hinreichende statische und festigkeitsmäßige Voraussetzung geschaffen worden, um Risiken in diesem Bereich ausschließen zu können, wodurch auch ein aufwendiges Richten des verzogenen Werkstückes entfällt, welches früher infolge unzureichender Stabilität in technologischen Zwischenschritten zwangsläufig entstanden ist.

Bezugszeichenliste

1

Ausgangswerkstück

2

Zahnstangenwerkstück

3

Bohrung

3.1

Längenabschnitt

3.2

Längenabschnitt

3.3

kleiner Durchmesser der Bohrung

3

3.4

großer Durchmesser entsprechend der Bohrung

3

4

Bereich eines freien Materialflusses als Übergang

5

Bereich für die Verzahnung

Claims

1. Rohrförmiges Zahnstangenwerkstück, insbesondere für Zahnstangenlenkungen von Kraftfahrzeugen, welches im Bereich der anzubringenden Verzahnung sowohl innen als auch außen einen runden Querschnitt aufweist und ein verändertes Festigkeits- und Formverhältnis zwischen dem Ausgangswerkstück und dem fertigen Zahnstangenwerkstück vor der Anbringung der Verzahnung erhält, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bohrung (3) mittels Umformung hergestellte Längenabschnitte (3.1, 3.2) mit unterschiedlichen Durchmessern (3.3, 3.4) aufweist, zwischen den Längenabschnitten (3.1, 3.2) ein Bereich (4) eines freien Materialflusses liegt, das Zahnstangenwerkstück (2) gegenüber dem Ausgangswerkstück eine um ca. 50% erhöhte Festigkeit aufweist bei gleichzeitiger Vergrößerung der Länge und Verringerung des Außendurchmessers gegenüber der Länge und dem Außendurchmesser des Ausgangswerkstückes (1), wobei der Längenabschnitt (3.1) mit dem kleineren Durchmesser (3.3) für die Anbringung der Verzahnung (5) vorgesehen ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen Zahnstangenwerkstückes nach Anspruch 1 mittels kalten, spanlosen Umformens und mittels eines Dornes, wobei das Zahnstangenwerkstück ein verändertes Festigkeits- und Formverhältnis zwischen dem Ausgangswerkstück vor dem spanlosen Umformen und dem fertigen Zahnstangenwerkstück nach dem Umformen vor der Anbringung der Verzahnung erhält, gekennzeichnet durch die Fertigungsschrittfolge

a) planes Ablängen eines nicht vergüteten, geschälten, gerichteten, vollen Rundmaterials auf ein Maß, welches wesentlich geringer als die Länge des fertigen Zahnstangenwerkstückes (2) ist, sowie anschließendes axiales Tieflochbohren zur Herstellung der Bohrung (3) und Erzeugung des rohrförmigen Querschnittes für das Ausgangswerkstück (1),
b) spanlose, kalte Umformung des Ausgangswerkstückes (1) zu dem Zahnstangenwerkstück (2), derart, daß
- - das Zahnstangenwerkstück (2) gegenüber dem Ausgangswerkstück (1) gelängt und der Außendurchmesser zugleich verringert wird und
- - dabei die Bohrung (3) im Längenabschnitt (3.2) von einem den ursprünglichen Durchmesser der Bohrung aufrechterhaltenden Dorn aufgenommen wird und im dornfreien Längenabschnitt (3.1) einen verkleinerten Durchmesser gegenüber dem Durchmesser der vom Dorn aufgenommenen Bohrung (3) im Längenabschnitt (3.2) erhält und
c) Erzeugung einer um ca. 50% erhöhten Festigkeit des Zahnstangenwerkstückes (2) gegenüber dem Ausgangswerkstück (1) mit dem Bereich eines freien Materialflusses (4) als Übergang zwischen den Bohrungen (3.3, 3.4) sowie dem Bereich (5) für die Verzahnung.