DE3326170A1

DE3326170A1 - Metallisches zahnstangenglied, verfahren zu dessen herstellung und lenkgetriebe unter verwendung eines solchen zahnstangengliedes

Info

Publication number: DE3326170A1
Application number: DE3326170A
Authority: DE
Inventors: Peter Rowland Chepstow Gwent Rogers
Original assignee: TRW Steering Systems Ltd
Current assignee: TRW Steering Systems Ltd
Priority date: 1982-07-21
Filing date: 1983-07-20
Publication date: 1984-01-26
Also published as: GB2123921B; FR2530508B1; IT8367786A0; FR2530508A1; GB2123921A; IT1162922B

Description

Metallisches Zahnstangenglied, Verfahren zu dessen Herstellung und Lenkgetriebe unter Verwendung eines solchen Zahnstangengliedes

Die Erfindung betrifft ein metallisches Zahnstangenglied, ein Verfahren zu seiner Herstellung und ein Lenkgetriebe unter Verwendung eines solchen Zahnstangengliedes.

Zahnstangenlenkgetriebe sind in der Automobi1 Industrie und verwandten Industrien bekannt. Im allgemeinen weist ein solches Getriebe ein in einem Gehäuse drehbar angeordnetes Ritzel auf, dessen Verzahnung in die Verzahnung einer Zahnstange eingreift, die das Gehäuse in Längsrichtung durchsetzt, so daß bei Drehung des Ritzels in Abhängigkeit von einem Lenkeingang die Zahnstange in Längsrichtung im Gehäuse verschoben und ein entsprechender Lenkausgang geliefert wird. Üblicherweise ist die Zahnstange so ausgebildet, daß an ihrem einen Ende die Verzahnung angeformt ist, beispielsweise durch Räumen oder Prägen oder ein anderes Formverfahren, während das andere Ende der Zahnstange im allgemeinen glatt ist und eine Verlängerung des gezahnten Teils bildet, die in an sich bekannter Weise den Gegebenheiten entsprechend mit dem Lenkgestänge verbunden ist.

Nach den bisher üblichen Verfahren werden Zahnstangen aus

metallischen Markstücken, insbesondere aus stabförmigen Rohlingen, hergestellt, was einen erheblichen Aufwand an maschineller Bearbeitung erfordert, bei der zudem durch die spanabhebende Bearbeitung Metall verloren geht, vornehmlich bei der Endbearbeitung des als Verlängerung dienenden Teilabschnittes des Zahnstangengliedes. Das Werkstück wird zunächst annähernd auf die gewünschte Länge des Zahnstangengliedes abgelängt und daraus nach herkömmlicher Art das Zahnstangenglied hergestellt, so daß Masse, Größe und Kosten einen nicht zu vernachlässiqenden erheblichen Anteil an Masse, Größe und Kosten des kompletten Lenkgetriebes darstellen, von dem die Zahnstange einen Teil bildet. Bei der Herstellung von Lenkgetrieben wird folglich nach immer neuen Wegen gesucht, die eine wirtschaftlichere Herstellung der Bauteile von Lenkgetrieben ermöglichen und eine Verringerung der Gesamtgröße und der Gesamtmasse des Getriebes ermöglichen, ohne daß hierdurch die bei einem Lenkgetriebe vorauszusetzende Wirksamkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit beeinträchtigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Zahnstangenql ied, insbesondere für ein Lenkgetriebe und ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen mit dem Ziel, die vorstehend genannten Forderungen zu erfüllen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Herstellung eines solchen Zahnstangengliedes erfolgt erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Verfahrensschritte gemäß Patentanspruch 7.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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Durch die erfindungsgemäße Ausbildunq und Herstellung des Zahnstanqenqliedes wird eine ununterbrochene Metallkörnung im Oberflächenbereich des Zahnstanqengliedes im Bereich der zwischen dem ersten und dem zweiten Längenabschnitt vorgesehenen Schulter und dem zweiten Längenabschnitt erhalten. Die erfindungsgemäße Bearbeitung des Rohlings nach dem Stauchverfahren, mit dem eine allmähliche Reduzierung des Querschnitts erreichbar ist, eignet sich hierfür besonders gut. Im allgemeinen ist der Rohling oder das Werkstück zylindrisch, wobei der Durchmesser dem Solldurchmesser des die Verzahnung traqenden Abschnitts des Zahnstangenteils entspricht. Der dem späteren zweiten Abschnitt mit reduziertem Durchmesser entsprechende Abschnitt des Rohlings wird dann gestaucht, also kaltverformt, vorzugsweise mit Hilfe von radial wirkenden Walzen. Aus der Verringerung des Durchmessers (und folglich des Querschnittes) des Werkstückes ergibt sich zwangsläufig ~ eine Verlängerung des zweiten Längenabschnittes. Durch diese gewollte Verlängerung nach dem Stauchen wird die gewünschte Gesamtlänge des Zahnstangengliedes erreicht.

Das Stauchen bietet den weiteren Vorteil, daß durch die Reduzierung des Durchmessers in einem erheblichen Teil des Zahnstanqengliedes dessen Gesamtmasse gegenüber einem Stab mit konstantem Durchmesser wesentlich verringert und der Rohling mit großer Genauigkeit auf das Sollmaß gebracht werden kann. Ferner ist der Material verlust bei der Herstellung geringer und durch das Stauchen wird auch eine Nachbearbeitung des Übergangsteils und des zweiten Längenabschnittes hinfällig. Diese Vorteile verringern ganz eindeutig die Herstellkosten des Zahnstangengliedes. Darüber hinaus hat der geringere Querschnitt des zweiten Längenabschnittes gegenüber einem verqleichbaren Querschnitt des ersten Längenabschnittes des Zahnstanqenqliedes den Vorteil, daß das Zahnstanqenql ied in einem

Lenkgetriebe mit einem kleineren Gehäuse als bisher rröglich untergebracht werden kann; desgleichen können die Lager für den zweiten Längenabschnitt, die die Längsverschiebung des Zahnstangengliedes im Gehäuse bzw. in einer rohrförmigen Verlängerung des Gehäuses, ermöglichen,kleiner sein. Durch die Verkleinerung der radialen Abmessungen des zweiten Längenabschnittes, beispielsweise durch das vorerwähnte Stauchen, bleibt auch die Körnung in der Zahnstange ununterbrochen , was folglich die Steifigkeit des Zahnstangengliedes gegenüber einer Zahnstange gleicher Dimensionen, bei der der zweite Längenabschnitt mit gegenüber dem die Verzahnung tragenden Längenabschnitt kleineren Durchmessers durch bloße spanabhebende Bearbeitung hergestellt wurde, vergrößert.

Der Rohling für die Fertigung des Zahnstanqenqliedes kann eine massive Stange oder ein Rohr sein. Häufig werden Zahnstangenglieder mit einer zentralen Bohrung benötigt, durch die ein strömendes Medium, beispielsweise Luft oder eine Flüssigkeit zwischen axial im Abstand voneinander angeordneten Kammern strömen kann, mit denen die Zahnstange in einem Lenkgetriebe in Wirkverbindung steht. Uird als Rohling ein Rohr verwendet, so kann bei der Herstellung des Zahnstangengliedes die Durchgangsöffnung des Rohres im fertigen Bauteil zugleich den Durchlaß bilden, der allerdings entsprechend der Verringerung des Querschnittes des zweiten Längenaoschnittes des Zahnstangengliedes ebenfalls einen geringeren Durchmesser aufweist.

Der zweite Längenabschnitt eines Zahnstangengliedes bildet nach herkömmlicher Art eine Verlängerung des die Verzahnung tragenden Teils und dient zur Kupplung der Zahnstange mit einem Lenkgestänge, beispielsweise über ein Kardangelenk mit einer Spurstange oder einem Servomotor, wie ein2c. Arbeits-

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zylinder in einem kraftverstärkten Lenkgetriebe. Durch die erfindunqsgemäße Ausbildung entfällt die spanabhebende Bearbeitung des zv/eiten Längenabschnittes, doch kann das vom Verzahnungsteil abgewandte freie Ende des zweiten Längenabschnittes eine spanende Nachbearbeitung erfordern, um an das freie Ende ein der Verbindung mit einem anderen Teil im Lenkgestänge dienendes Innen- oder Außengewinde anzubringen. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, daß das freie Ende des zweiten Längenabschnittes als Kupplungsorgan ausgebildet ist, sondern die Kupplung kann auch in einem mittleren Bereich zwischen den verzahnungsfreien Enden des Zahnstangenteils erfolgen, um an dieser Stelle das Ausgangsmoment für die Betätigung des Lenkqestänges abzunehmen. Die KupplunqsstelIe wird nach der Fertigung des zweiten Längenabschnittes des Zahnstangengliedes durch eine geeignete Bearbeitung des Kupplungsteiles ausgebildet, beispielsweise durch eine spanabhebende Bearbeitung oder durch Pressen.

Die erforderliche Verzahnung kann an das Zahnstangenglied vor oder nach der Bildung des zweiten Längenabschnittes mit reduziertem Durchmesser angeformt werden. Für die Ausbildung der Verzahnung kann jedes geeignete Verfahren zur Anwendung kommen, wie Räumen oder eine andere spanabhebende Bearbeitung,

oder durch spanlose Bearbeitung, wie Prägen oder Kaltformverfahren geeigneter Art.

Ein Lenkgetriebe unter Verwendung des erfindungsgemäßen Zahnstangengliedes wird in der Regel eine Zahnstange und ein Ritzel beinhalten, doch eignet sich das Zahnstangenteil auch zur Verwendung in anderen Lenkgetrieben, bei denen die in die Zahnstange eingreifende Verzahnung anstelle eines Ritzels beispielsweise ein Zahnsegment ist.

Das erfindungsqemäße metallische Zahnstangeng1ied ist nach-

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folgend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen zylindrischen Rohling, aus dem das Zahnstangenglied gefertigt wird,

Figur 2 eine Ausführungsform eines aus dem Rohling oder dem Werkstück nach Figur 1 gefertigten Zahnstangengliedes, wobei im Vergleich zu Figur 1 im Zuge des Herstellungsprozesses eine größere Länge des fertigen Werkstückes erzielt wird,

Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines Zahnstangengliedes mit abtriebsseitiger Kupplung in der Mitte, ebenfalls aus einem Rohling gemäß Figur 1 gefertigt und

Figur 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV aus Figur 3.

Ein massiver zylindrischer Rohling 1 wird in vorgegebener Länge von einem Halbzeug abgelängt,und zwar etwas kürzer als das Endmaß des daraus herzustellenden Zahnstangengliedes 2. Das Zahnstangenglied 2 weist einen ersten Abschnitt 3 auf, in dem eine Zahnstangenverzahnung 4 angeformt ist. Der Durchmesser des Abschnittes 3 entspricht im wesentlichen dem des Rohlings. An diesen Abschnitt 3 schließt sich in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ein glatter, zylindrischer Abschnitt 5 mit reduziertem Durchmesser an. Die beiden Abschnitte 3 und 5 sind konzentrisch zueinander und gehen durch einen Übergangsabschnitt ineinander über, der zwischen den beiden Abschnitten eine Schulter 6 bildet. Der Abschnitt 5 geringeren Durchmessers wird hergestellt, indem man den Rohling (oder

V/erkstück) 1 in den; Abschnitt, der im Endprodukt nicht den Abschnitt 3 bilden soll, durch Stauchen zu einem im Durchmesser stetig abnehmenden Teil umformt, das hierdurch entsprechend länger v/ird.

Die Ausbildung der Schulter 6 am Werkstück und des Abschnittes 5 in seiner gewünschten Länge kann durch den Einsatz einer Hochleistungs-Stauchpresse mit einem radial wirkenden Andrückwalzen-Perkussionssystem erreicht werden, in das das Werkstück von Backen oder Klauen gehalten in der Maschine einqebracht wird und durch radial wirkenden Druck zu einem gelängten Abschnitt geringeren Durchmessers umgeformt wird. Während dieses Stauch-Vorganges bleibt die Oberfläche des Werkstückes in dem gesamten Teil, aus dem die Schulter 6 und der Abschnitt 5 geformt werden, ungebrochen erhalten, so daß die vor i3eqinn der Urr.forrnunq i rn Werkstück vorhandene kontinuierliche Körnung des Metalls in seinorr; Oberflächenbereich auch in der Schulter 6 und dem Abschnitt 5 erhalten bleibt.

Vor odor nach der Formung des Abschnittes 5 wird die Zahnstangenverzahnung ') aufgebracht, vorzugsweise durch herkömmliche Mittel, wi'? ίί ä u ^r-i'2n oder andere Verfahren , bei spielsweise durch Stauchen oder durch ein anderes geeignetes Verfahren der Ka ltverfor rrunq.

In oiner. typischen Zahnstangen-Lenkgetriebe, von dem eins Zahnstanqenglied 2 Teil ist, kann ein Abtrieb an ein err freien Ende erforderlich sein, wenn beispielsweise die Zahnstange mit den nicht dargestellten Spurstangen zur 6 i1 du ng eines Leiikgest.ingcs gekoppelt werden soll. Für diese Art der Kopplung werden die Enden des Zahnstangeng 1 iedes 2 maschinell spanabhebend bearbeitet, beispielsweise ¹Jm Gewi ndebohrunqen 7 in Jen En'J·2η anzubringen, od^r f'as von dor Verzahnung abiewandte ende des Absciinittes 5 wird bearbeitet oder gepraßt, ¹J fr, ein flacies nicht 'iarii':str?l 1 tes Kuppl unqsstück zu bilden.

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ßoi Bedarf kann der Rohling oder das Werkstück auch aus einem Rohr bestehen, dessen Durchgangsöffnung gleichzeitig als Durchlaß für ein strömendes Medium in dem Zahnstanqenqlied verwendbar ist.

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In den Ausführungslbeispi-elen nach den Fiquren 3 und 4 wird das Zahnstange.ngl ied ebenfalls aus dem Werkstück 1 hergestellt, doch ist h'ier der Kraftabnahmepunkt in 6er Mitte vorgesehen, so daß das Zahnstangeng'l ied in ein Lenkgestänge einbaubar ist, das den Lenkausgang von den freien Enden entfernt liefert. Das Zahnstangenglied 2 in Figur 3 hat zwei koaxiale Abschnitte 5a und 5bmit reduziertem Durchmesser, zwischen denen sich ein· Kupplungstei1 9 befindet. Die'Abschnitte 5a und 5b v/erden dadurch gebildet, daß das Werkstück in den diese Abschnitte ergebenden Bereichen, also nicht im Bereich von Abschnitt 3 und Kupplungsteil 9, in ähnlicher Weise wie die Ausführung nach Figur 2 einem Stauchvorgang unterzogen wird. Nach diesem Vorgang kann das Kupplungsteil als ein abgeflachtes Teil mit radialen;Bohrungen für die jeweilige Verbindung ausgearbeitet werden. Während des Stauchens bleibt das Werkstück an den Teilen, an hen die Schulter 6 und der zweite Abschnitt 5a ausgebildet werden, ungebrochen, so daß die kontinuierliche Körnung des Metalls über die gesamte Lunge dieser Teile erhalten bleibt.

Aus einem Vergleich der Figuren 1 und 2 oder 3 geht hervor, daß das Zahnstangenglied wesentlich langer ist als der ursprüngliche Rohlinq oder Werkstück 1, so daß nicht unerheblich i-iaterial eingespart werden kann, verglichen mit den Verfahren, bei denen die Schulter und der Abschnitt 5 oder.5a aus dem Vollen heraus geschnitten werden. Darüber hinaus wird wegen der Erhaltung der Werkstoffstruktur an der Schulter und detn Abschnitt 5 oder 5a des Zahnstanqenql iedes- die auf-

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tretende Schwächung des Materials im Bereich der Schulter 6 der Zahnstange bei einer spanabhebenden Ausarbeitung der Abschnitte 5 oder 5a vermieden.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung zu entnehmen ist, läßt sicli die Länge des Rohlings oder des Werkstückes 1 unschwer aus der geforderten Länge des Zahnstangengliedes bestimmen, also insbesondere aus der erforderlichen Länge für die Abschnitte 5, 5a und 5b und dem Durchmesser, den diese Abschnitte aufweisen sollen.

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PATENTA N SPRÜC

1. Metallisches Zahnstangenglied, gekennzeichnet durch einen ersten eine angeformte Zahnstangenverzahnung (4) aufweisenden Längenabschnitt (3) und durch einen zweiten, im wesentlichen glatten Längenabschnitt (5), der sich in Verlängerung zum ersten Längenabschnitt erstreckt, wobei der zweite Längenabschnitt (5) einen im wesentlichen konstanten Querschnitt von geringerer Fläche als ein vergleichbarer Querschnitt des ersten Längenabschnittes (3) aufweist, durch eine periphere Schulter (6) zwischen beiden Längenabschnitten, und durch eine Oberfläche des Zahnstangengliedes (2) im zweiten Längenabschnitt (5), die von einer Stelle am oder dem dem ersten Längenabschnitt (3) abgewandten Ende benachbart ausgehend über eine über die Schulter zwischen beiden Längenabschnitten reichende Übergangstei11änge (6) des Zahnstangengliedes (2) sich erstreckend zwecks gleichmäßiger metallischer Körnunq in dieser Oberfläche ununterbrochen ist.

2. Zahnstangenqlied nach Anspruch 1, dadurch q e k e η η -

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zeichnet, daß der erste und der zweite Längenabschnitt (3, 5) rohrförmige Teile umfassen, die gemeinsam einen das Zahnstangenglied in Längsrichtung durchsetzenden Durchlaß (8) bilden.

3. Zahnstangenglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Längenabschnitt (5) im wesentlichen zylindrisch ist.

4. Zahnstangenglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Längenabschnitt (5) sich an die periphere Schulter (6) in Längsrichtung anschließt und zwischen dieser und einem der Verbindung mit einem Lenkgetriebe dienenden Kupplungsteil (9) liegt.

5. Zahnstangenteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungsteil (9) ein spanabhebend bearbeitetes Teil des Zahnstangengliedes (2) umfaßt.

6. Zahnstangenteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Längenabschnitt (5) einen Endabschnitt des Zahnstangengliedes (2) bildet.

7. Verfahren zur Herstellung eines Zahnstangengliedes aus einem stabförmigen Werkstück, mit einem ersten Längenab- . schnitt, an dem eine Zahnstangenverzahnung angeformt ist oder anzuformen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Längenabschnitt des Werkstückes radial von außen nach innen gegenüber dem ersten Längenabschnitt im Querschnitt reduziert wird, daß zwischen den beiden Längenabschnitten durch stetig sich ändernden Durchmesser eine periphere

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Schulter ausgebildet wird und gleichzeitig die Längenausdehnung des zweiten Längenabschnittes vergrößert wird, und daß bei diesem Umformungsvorgang eine ununterbrochene Oberfläche über mindestens den überwiegenden Teil des zweiten Längenabschnitts und über den Übergangsabschnitt des Zahnstangenteils erhalten bleibt, der sich über die Schulter zwischen dem ersten und dem zweiten Längenabschnitt erstreckt, so daß eine durchgehend gleichmäßige Metallkörnung in dieser Oberfläche erhalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Längenabschnitt aus dem ersten Ende und der zweite Längenabschnitt aus dem zweiten Ende des Werkstückes geformt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Längenabschnitt des Stabes durch Stauchen im Querschnitt verringert wird, wobei gleichzeitig die periphere Schulter (6) ausgebildet wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnstangenglied aus einem rohrförmigen metallischen Halbzeug gefertigt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Halbzeug bei der Bearbeitung über mindestens einen Teil unverändert bleibt und eine den Zahnstangenabschnitt in Längsrichtung durchsetzende Bohrung bildet.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß am Ende des zweiten Längen-

abschnitts an der vom ersten Längenabschnitt abqewandten Seite ein der Kupplung des Zahnstangengliedes mit einem Lenkgestänge dienendes Kupplungsteil angeformt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Kupplungsteiles eine spanabhebende Bearbeitung umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, sofern von Anspruch 9 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungsteil am Ende des Werkstückes angeformt wird, das im wesentlichen das vom ersten Längenabschnitt abgewandte freie Ende des zweiten Längenabschnitts ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Längenabschnitt des Werkstückes nach der Reduzierung des Querschnittes des zweiten Längenabschnittes eine Zahnstangenverzahnung angeformt wird.

16. Metallisches Lenkgetriebe nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem Zahnstangenglied.