DE2930917A1

DE2930917A1 - Verfahren zum herstellen von zahnstangen fuer zahnstangenlenkgetriebe

Info

Publication number: DE2930917A1
Application number: DE19792930917
Authority: DE
Inventors: Arthur Ernest Bishop
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-31
Filing date: 1979-07-30
Publication date: 1980-02-14
Also published as: FR2432348B1; ZA793873B; BR7904948A; FR2432348A1; GB2026908B; JPS5626528B2; DE2930917C2; JPS5548540A; GB2026908A; ES483771A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Zahnstangen für Zahnstangenlenkgetriebe, die für Kraftfahrzeuge bestimmt sind. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Zahnstangen für Lenkgetriebe mit veränderlichem übersetzungsverhältnis, worunter ein übersetzungsverhältnis verstanden wird, das bei gleichmäßiger Drehung des Steuerrades eine veränderliche Verschiebungsgeschwindigkeit der Zahnstange bewirkt.

Eine derartige Veränderlichkeit des Übersetzungsverhältnisses ist insbesondere für Servolenkgetriebe zweckmäßig, bei denen in der Mitte an der Stelle großer Lenkgeschwindigkeiten eine große Übersetzung auftritt und bei denen im Abstand zur Mitte wesentlich geringere Bewegungsgeschwindigkeiten und damit geringere Übersetzungsverhältnisse vorliegen. Die australische Patentschrift 241 798 beschreibt ein derartiges Lenkgetriebe.

Bei üblichen Lenkgetrieben für Handsteuerung ist andererseits ein unterschiedliches Übersetzungsverhältnis deswegen von Vorteil, um die Lenkkraft in den Endstellungen zu verringern.

Derartige Lenkgetriebe sind aus der US-PS 3 267 763 und der US-PS Re 28 740 bekannt.

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Die Zahnstangen der bekannten Zahnstangenlenkgetriebe mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis weisen Zähne auf, die sich von üblichen Zähnen in mancher Hinsicht unterscheiden und bei denen sich die Zahnform über die gesamte Länge der Zahnstange verändert. Bei den zuvor erwähnten, bekannten Zahnstangen verändert sich die Zahnform sogar über die gesamte Länge jedes einzelnen Zahnes der Zahnstange. Derartige Zähne sind mit bekannten Herstellungsverfahren und mit der erforderlichen Genauigkeit nur sehr schwer herstellbar. Eine hohe Genauigkeit bei der Fertigung der Zahnflanken ist jedoch äußerst wichtig, um den großen Belastungen standhalten zu können und eine weiche, stoßfreie Lenkung mit höchster Lenkgenauigkeit zu erhalten.

Hierzu ist es erforderlich, daß die Zähne derartiger Zahnstangen im Zahnfuß- oder Rillenbereich sehr genau gefertigt sind und daß die Zahnrillen in Längsrichtung der Zähne keine Beschädigungen oder Schnittmarken aufweisen.

Eine äußerst genaue Endfertigung der Zähne einer Zahnstange ist aber nicht nur für Zahnstangengetriebe mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis erforderlich, sondern auch für übliche, einfache Zahnstangen, bei denen ein geradverzahntes Ritzel mit der Zahnstange kämmt.

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Ferner schlägt die australische Patentanmeldung 9216/77 (33584/78) ein Verfahren zur Herstellung von Zahnstangen für Lenkgetriebe gemäß der zuletztgenannten Patentschrift vor, wobei insbesondere ein Verfahren zum Vorbearbeiten der Zahnstangen vor der Endbearbeitung erwähnt ist. Die Endbearbeitung erfolgt dabei durch "Verformung oder andere Formgebung".

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung von Zahnstangen für Zahnstangenlenkgetriebe zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Verfahren gemäß Kennzeichen des Hauptanspruchs. Danach erfolgt die Verformung zur Endbearbeitung der Zahnstange auf dem Wege der Kaltverformung unter hohem Druck in einem Gesenk, das eine genaue Gegenform der fertigen Zahnstange darstellt.

Derartige Gesenke sind hochgenau herstellbar und eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren fertiggestellte Zahnstange weist daher die gleiche Fertigungsgenauigkeit wie das Gesenk auf. Da das Gesenk eine äußerst genaue Oberfläche hat, haben auch die Zahnflanken der Zahnstange nach der Fertigstellung eine äußerst glatte Oberfläche, die frei von Längsmarken oder -kerben ist. Bei den bislang bekannten Herstellungsverfahren traten derartige Längsmarken oder -kerben praktisch immer auf. Die beim Stand

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der Technik auftretenden Längsmarken oder -kerben stellen Kerbwirkungsstellen dar, die den Ausgangspunkt für Brüche bilden. Da die Zähne von Lenkungszahnstangen hohen wechselnden Belastungen unterliegen, traten beim Stand der Technik nicht selten Brüche an derartigen Kerbstellen auf.

Die Herstellung von Lenkungszahnstangen durch einfache Kaltverformung von Stahlrohlingen auf dem Wege des Gesenkpressens von Zähnen ist aus verschiedenen Gründen für Lenkungszahnstangen undurchführbar. Zum einen werden die Rohlinge beim Kaltverformen üblicherweise vollständig im Gesenk eingeschlossen, wodurch der eingelegte Rohling bei geschlossenem Gesenk einem hohen Innendruck unterworfen ist und etwa wie ein Fluid fließt. Um ein derartiges Fließen zu erreichen, muß ein Material mit hoher Duktilität gewählt werden, ein derartiger Stahl ist jedoch für Lenkungszahnstangen ungeeignet. Letztere werden nämlich üblicherweise aus Kohlenstoffstahl mit 0,45 % Kohlenstoff hergestellt. Solche Kohlenstoffstähle neigen zur Verfestigung und sind üblicherweise schlecht kaltverformbar. Ferner haben Lenkungszahnstangen zumeist eine beträchtliche Länge von etwa 60 cm, wobei der mit Zähnen zu versehene Teil etwa 1/10 der Oberfläche der Zahnstange einnimmt. Ein vollständiges Einschließen eines derart großen Rohlings in Gesenken, die den zur vollständigen Verformung der Zähne erforderlichen Druck aufbringen müssen, ist bei keinem bekannten Verfahren möglich. Dies gilt insbesondere deswegen, weil das zu verformende Material einen

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beträchtlichen Fließwiderstand besitzt. Das zuvor beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren nimmt daher zunächst eine Vorbearbeitung der Zähne vor, die auf etwa die fertige Zahnform gebracht werden, während das Kaltverformen lediglich zur Herstellung der genauen Zahnflankenform angewandt wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden die vorgeformten Zähne nicht lediglich auf eine ungefähre Endform gebracht, sondern sie werden auf eine gegenüber der Endform verzerrte Form gebracht, die nach bestimmten Bedingungen ausgewählt ist. So soll beispielsweise die Rohform jedes Zahnes eine Rille oder einen Zahnfußbereich haben, der ziemlich genau der fertigen Rille entspricht, jedoch einen etwas größeren Radius hat. Außerdem soll die Gesamthöhe jedes Zahnes deutlich größer als für den fertigen Zahn sein und in den meisten Fällen eine etwas schmälere Spitze aufweisen. Unmittelbar in der Nähe der Zahnrillen sind die vorgeformten Zähne dadurch etwas schmäler als in ihrem fertigen Zustand, und es sind diese Bereiche, in die gemäß Erfindung überschüssiges Material von der Zahnspitze während des Kaltverformens oder Prägens gedrückt wird. Außerdem soll das Zahnvolumen des rohen Zahnes praktisch gleich oder etwas größer als das des fertigen Zahnes sein. Geringe Schwankungen können dabei durch Metallverdichtung oder durch geringen Fluß in anderen Bereiche auftreten. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung

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liegt darin, daß der Metallfluß gegenüber bekannten Verfahren wesentlich verringert ist, bei denen Metall in Gesenkhohlräume einfließen muß, um das Gesenk vollständig auszufüllen. Das erfindungsgemäße Zahnformverfahren bewirkt somit ein aufeinanderfolgendes Niederpressen von Zahnschichten von der Zahnspitze zum Zahnfuß, wobei das Material im Schnitt lediglich in Querrichtung fließt, bis es den Gesenkboden erreicht. Daraufhin wird eine zweite Schicht über die erste in Querrichtung nach unten in den frei gewordenen Raum gedruckt. Auf diese Weise findet an jeder Stelle des Stahlelementes wesentlich weniger Fließen statt und es kann somit ein Stahl von geringer Duktilität in ausreichendem Maße bearbeitet werden. Bei vollständig geschlossenem Gesenk besteht für den Kern der Zahnstange ferner praktisch keine Neigung, in Längsrichtung extrudiert zu werden, wenn die Füllung über die Länge der Zahnstange veränderlich wäre und somit überschüssiges Material in Längsrichtung der Zahnstange verteilt werden müßte. Eine solche Verteilung kann unter Umständen sogar Zähne abscheren und es erfolgt eine unerwünschte metallurgische Veränderung der Zahnfüße. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß nur ein geringes Gleiten des Stahls am Gesenk erfolgt, so daß der Verschleiß des Gesenks gegenüber üblicher Kaltverformung wesentlich verringert ist. Für Zahnstangen mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis ist letzteres ein wesentlicher Vorteil, da die zur Her-

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stellung erforderlichen Gesenke sehr aufwendig und teuer sind.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß stets die richtige Zahnform herstellbar ist, während beim Stand der Technik das Schließen des Gesenks durch den Endschließdruck bestimmt wird und nicht durch die Schließhöhe des Gesenks. Wenn demnach ein Fließen aufgetreten ist, bei dem jedoch nicht der gesamte Zahnfußbereich verformt wurde, dann würde bei Erreichen des Schließdrucks keine weitere Verformung mehr vorgenommen werden.

Die Erfindung schafft somit ein Verfahren zum Herstellen von Zahnstangen für Zahnstangenlenkgetriebe, bei dem zunächst in einen Zahnstangenrohling eine Anzahl von Zähnen eingeformt wird, die etwa der gewünschten fertigen Zahnform entsprechen, wobei aber die Rillen zwischen den Zähnen bzw. die Zahnfüße einen etwas größeren Radius aLs beim fertigen Zahn haben. Im übrigen entsprechen sie ziemlich genau den fertigen Zähnen. Die gesamte Zahnhöhe der vorgeformten Zähne ist etwas größer als die der fertigen Zähne, während das Zahnvolumen des rohen Zahns praktisch dem Volumen des fertigen Zahns entspricht. Die Herstellung des fertigen Zahns erfolgt durch Kaltverformung oder Prägung in einem Gesenk, dessen Form eine genaue Gegenform des oder der fertigen Zähne darstellt,

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Die Vorbereitung der Zahnstange kann auf verschiedenste Weise erfolgen, beispielsweise durch Räumen, Schleifen oder Zahnschneiden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf eine Zahnstange für ein Zahnstangenlenkgetriebe mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis;

Figur IA einen Schnitt entlang der Linie V-V in Figur 1; Figur IB einen Schnitt in Richtung des Pfeils A;

Figur 2 einen Schnitt durch einen Zahn aus Figur 1 in vergrößterter Darstellung, wobei Zahnbereiche an jedem Ende sowie in der Mitte sowohl für den fertigen als auch für den rohen Zahn erkennbar sind;

Figur 3 einen Schnitt durch die beiden Hälften eines geschlossenen Zahnstangen-Prägegesenks;

Figur 4 einen Teil einer Zahnstange unter Darstellung eines Teils von Zähnen vor dem Prägen;

Figur 5 die obere Hälfte eines Prägegesenks unter Darstellung der Gegenform der fertiggestellten Zahnstangenzähne.

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Die in Figur 1 dargestellte Zahnstange ist beispielsweise für ein Zahnstangenlenkgetriebe mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis bestimmt und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar. Die Schwierigkeiten bei der Herstellung derartiger Zahnstangen beruhen auf der sich ändernden Form der Zähne. Es ist klar, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Zahnstangen mit sich nicht verändernden Zähnen anwendbar ist, wobei die Zahnstangen gerad- oder schrägverzahnt sein können.

Zuerst werden die Zähne beispielsweise durch Räumen vorgeformt, beispielsweise auf die in der zuvor erwähnten australischen Patentanmeldung beschriebenen Weise. Die rohe Zahnform kann aber auch durch Schleifen oder Zahnschneiden erhalten werden, oder die Zahnstange wird bei etwa 730° C warmgepreßt. Beim Warmpressen lassen sich verhältnismäßig genaue Formen erzielen. Bei der Herstellung der Rohzähne soll eine Zahnform erzielt werden, die ziemlich genau der fertigen Zahnform entspricht, von dieser jedoch in bestimmter Weise abweicht. Figur 2 zeigt einen Zahn aus Figur 1 in wesentlich vergrößerter Darstellung, wobei Umrisse beider Zahnenden sowie ein in der Zanmitte liegender Umriß dargestellt sind. Die ausgezogenen Linien stellen die fertige Zahnform dar, während die gestrichelten Linien den Umriß des vorgeformten, rohen Zahnes angeben. Man erkennt aus dieser Figur, daß die Konturen des rohen und des fertigen Zahnes im Bereich des Zahnfußes oder der Rille an ein oder mehreren Punkten zusammenfallen.

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In darUberliegenden Bereichen, in denen die ausgezogenen Zahnflankenlinien außerhalb der gestrichelten Linien liegen, ist der rohe Zahn schmäler als der fertige Zahn. In allen drei dargestellten Zahnschnitten ist der rohe Zahn höher als der fertige Zahn und in den näheren oder vordereren Abschnitten ist der rohe Zahn im Bereich der Zahnspitze breiter als der fertige Zahn. Die in jedem Zahnschnitt als schraffierte Bereiche dargestellten Bereiche zeigen an, daß Stahl zum Auffüllen der näher an der Zahnwurzel liegenden Bereiche zur Verfügung steht, in denen der rohe Zahn schmaler als der fertige Zahn ist. Der eingeschlossene Zahnflankenwinkel des rohen Zahnes ist demnach kleiner als der eingeschlossene Zahnflankenwinkel des fertigen Zahns.

Die Endbearbeitung der Zahnstange erfolgt durch Kaltverformung oder Prägung, wobei das an der Zahnspitze jedes rohen Zahnes vorliegende überschüssige Material in die Nähe des Zähnfußes zum Auffüllen dieser Bereiche verschoben wird. Man erkennt in Figur 2, daß das Volumen des rohen Zahns praktisch dem Volumen des fertigen Zahnes entspricht und die Materialverschiebung erfolgt somit praktisch innerhalb des vorgegebenen Volumens, so daß die zuvor erwähnten Nachteile, nämlich durch überschüssiges Material hervorgerufene Längenänderung oder unvollständiges Schließen des Gesenks vermieden werden.

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Figur 3 zeigt ein Prägegesenk zur Endbearbeitung der Zahnstange, wobei die untere Gesenkhälfte die Zahnstange einspannt, während die obere Gesenkhälfte die gewünschte genaue Zahnform einprägt.

Figur 4 zeigt einen Teil der vorgeformten rohen Zähne der Zahnstange, während Figur 5 das Innere des Obergesenks eines Prägegesenks erkennen läßt, in welches die genaue Gegenform der fertigen Zähne eingearbeitet ist. Wie bereits erwähnt, ist die Innenfläche des Obergesenks sehr fein bearbeitet und diese Feinbearbeitung wird beim Prägen auf die Zähne übertragen, so daß diese ebenfalls eine äußerst feine Oberfläche erhalten, die frei von Kratzern, Rissen oder sonstigen Kerbstellen ist. Das Prägen erfolgt auf übliche Weise.

Obgleich in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel der Querschnitt der Zahnstange als weitgehend kreisförmig angenommen worden ist, sind auch Zahnstangen mit anderen Querschnittsformen denkbar, beispielsweise mit einer Querschnittsform gemäß Figur 4 der australischen Patentschrift 498 666.

hu/be/wo

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Claims

Patentansprüche

1./ Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Zahnstangen für Zahnstangenlenkgetriebe, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst in einen Zahnstangenrohling eine Anzahl von Zähnen eingeformt wird, welche etwa die Zahnform der fertigen Zahnstange haben, wobei jeder Zahn im Zahnfuß- oder Rillenbereich ziemlich genau der fertigen Zahnform entspricht, jedoch einen größeren Radius hat und wobei die Gesamthöhe des Zahnes größer als beim fertigen Zahn ist; daß als Zahnvolumen jedes vorgeformten Zahnes praktisch das Volumen des fertigen Zahnes gewählt wird; und daß die vorgeformten Zähne durch Kaltverformung oder Prägung fertigbearbeitet werden, wobei man als Prägestanze eine Form verwendet, die die genaue Gegenform der fertigzustellenden Zähne ist.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der eingeschlossene Flankenwinkel beim vorgeformten Zahn kleiner als beim fertigen Zahn ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbearbeitung des Zahnstangenrohlings durch spanabhebende Verformung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverformung des Zahnstangenrohlings durch Schmieden erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnstangenrohlings durch Warmpressen vorgeformt wird.

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