DE60133430T2

DE60133430T2 - Hohle Zahnstange

Info

Publication number: DE60133430T2
Application number: DE60133430T
Authority: DE
Inventors: Akira Maebasi-shi Tsubouchi; Kiyoshi Maebasi-shi Okubo; Yasushi Maebasi-shi Watanabe
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: US6588293B2; EP1145934A3; EP1145934B1; EP1145934A2; DE01109331T1; DE60133430D1; US20020026845A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine hohle Zahnstangenwelle für eine Steuervorrichtung, die in Automobilen verwendet wird. Solch eine Einrichtung ist aus der JP 11180318 A bekannt.
Eine Steuervorrichtung eines Zahnstangen- und Zahnradtyps wird häufig in Fahrzeugen verwendet. Die Rotation des Steuerrads durch den Fahrer wird an ein Zahnrad übermittelt, welches mit einer Zahnstange eingreift. Die Zahnstangenwelle ist mit einer Steuerstange zum Steuern der Vorderräder verbunden. Der Fahrer kann daher die Richtung, in die sich das Fahrzeug bewegt, durch Drehen des Steuerrads steuern. Der oben beschriebene Steuermechanismus ist im Stand der Technik bekannt, so dass hier eine weitere Erklärung weggelassen wird.
Im Stand der Technik wurden die Zähne der Zahnstangen durch Ausschneiden einer Verzahnung aus einem festen Stangenwerkstück erhalten. In dem ursprünglichen Stahlbarren für das Werkstück ist ein Längsmetallfluss entlang der Rollrichtung ausgebildet. Es tritt eine Anisotropie in der Stärke zwischen der Richtung parallel zum Metallfluss und der Richtung rechtwinklig zum Metallfluss auf. Der Metallfluss wird abgeschnitten, wenn die Abschnitte des Werkstücks in dem Verzahnungsschneidprozess entfernt werden, weswegen die Zahnstangenzähne eine niedrige Stärke haben. Um eine ausreichende Stärke zu erhalten, muss die Zahnstangenwelle größer gemacht werden und wird daher schwerer.
Für leichtgewichtige Zahnstangenwellen ist ein Verfahren zum Herstellen einer hohlen Zahnstangenwelle in dem offengelegten japanischen Patent Nr. Hei 5-34231 offenbart. In diesem Verfahren wird hohles Stangenmaterial mit einer ausreichenden Dicke zum Verzahnen vorbereitet, und ein Abschnitt der Wand des hohlen Werkstücks wird durch plastische Deformation als flacher Bereich ausgebildet. Dann werden die Zahnstangenzähne an dem flachen Bereich ausgeschnitten. Ein Querschnitt der Zahnstangenzähne, die durch dieses Herstellungsverfahren erzeugt werden, ist in 12 gezeigt. Die Zähne werden durch Entfernen eines Abschnitts des Materials R ausgebildet, so dass der Metallfluss F abgeschnitten wird. In dem oben genannten Verfahren (12) gibt es keinen Unterschied zum Stand der Technik bezüglich einer Anisotropie in der Stärke zwischen der Richtung B parallel zum Metallfluss und der Richtung A (rechtwinklig zum Metallfluss), weswegen die Zahnstangenwelle groß und schwer sein muss.
Ein anderes Verfahren zum Herstellen einer Zahnstangenwelle ist in dem offengelegten japanischen Patent Nr. Sho 58-218339 ( Japanische Patentveröffentlichung Nr. Hei 4-28582 ) offenbart. In diesem Verfahren wird ein hohles Stangenmaterial vorbereitet und ein flacher Bereich wird an einem Abschnitt der Oberfläche durch plastische Deformation ausgebildet. In dem Zustand, dass ein Dorn in den hohlen Bereich eingesetzt ist, wird eine den Zahnstangenzähnen entsprechende Zähne aufweisende Matrize auf den flachen Bereich gepresst, so dass die Zahnstangenzähne ausgebildet werden. Wenn in diesem Verfahren die Zahnstangenzähne durch plastische Deformation ausgebildet sind, tritt das oben genannte Problem, d. h. das Abschneiden des Metallflusses F, nicht auf. Jedoch wird bei diesem Verfahren ein Werkstück benötigt, dessen Dicke (Volumen) gleich dem Gesamtvolumen der Zahnstangenzähne und dem Zahnstangenzahnbodenabschnitt ist, wodurch die Dicke mit Ausnahme des Zahnstangenzahnabschnitts unnötig dick wird. Das verursacht das Problem, dass die Zahnstangenwelle nicht ausreichend leicht hergestellt werden kann.
Wie auch in 13 gezeigt, ist die innere Oberfläche auf der Rückseite der Zahnstangenzähne als flache Oberfläche IS ausgebildet, so dass der Metallfluss F an den Bereichen RA jedes Zahns spärlich ist und in der Mittensektion des Zahns, in anderen Worten in der Umgebung des Zahnbodens BA, dicht ist. Da die Dichte des Metallflusses F an jedem Abschnitt unterschiedlich ist, kann keine einförmige Stärke erhalten werden. Eine Querschnittsansicht desselben Zahnstangenzahns ist in 5 gezeigt. Diese Figur zeigt die Verteilung von Spannungsverteilungslinien, wenn eine Last F auf einen Punkt f auf der Zahnoberfläche aufgebracht wird (Verzahnungsoberfläche mit Zahnrad). Die Spannungsverteilungslinien 4 aus 5 erscheinen in der Umgebung des Zahnbodens vorne und hinten dichter. Die Spannungsverteilungslinien 4 erscheinen nicht an anderen Punkten, daher zeigen sie geringe Spannungsänderungen. Die Abschnitte, an denen wenige Spannungsverteilungslinien 4 sind, können schwerlich dazu beitragen, die Last aufzunehmen, und sie sind für Zahnstangenzähne nicht wichtig. Diese unwichtigen Bereiche verhindern, dass die Zahnstangenwelle in Leichtbauweise ausgebildet wird.
Ein von Okubo, einer der Erfinder der vorliegenden Erfindung, erdachtes Herstellungsverfahren für eine hohle Zahnstangenwelle ist in dem offengelegten japanischen Patent 11-180318 offenbart. In diesem Verfahren wird ein rechtwinkliges Plattenwerkstück zu einem rinnenförmigen Element gebogen, und eine Zahnstangenzahnreihe wird durch plastische Deformation an dem flachen Zentralabschnitt ausgebildet, und die beiden Beinabschnitte des dachrinnenförmigen Elementes werden so gebogen, dass sie gegeneinander anstoßen, um eine hohle Zahnstangenwelle zu erzeugen. In diesem Verfahren wird die hintere Oberfläche der Zahnstangenzähne IS (die Oberfläche, die zukünftig die innere Seite des hohlen Bereichs ausbildet) mit einer Serie von wellenähnlichen konkav-konvexen Bereichen ausgebildet, die der Zahnstangenoberfläche entsprechen, und unnötiges Material verbleibt nicht, wobei dieses Verfahren sehr gut dazu beiträgt, die Zahnstangenwelle in Leichtbauweise auszubilden.
Jedoch offenbart dieses offengelegte japanische Patent weder, wie die ungleiche Gestalt der Zahnstangenrückoberfläche zu optimieren ist, um eine Spannungskonzentration zu verhindern, noch was für ein Metallfluss in der Umgebung der Zahnstangenzähne optimal ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine hohle Zahnstangenwelle für die Verwendung in Fahrzeuglenkmechanismen, die eine innere Oberfläche der Zahnstangenreihenabschnitte mit einer Folge von wellenähnlichen konkav-konvexen, im Wesentlichen der äußeren Zahnoberfläche entsprechenden Bereichen aufweist, bei der der Zahnstangenzahnreihenabschnitt der hohlen Zahnstangenwelle derart ausgebildet ist, dass, wenn eine Last auf die hohle Zahnstangenwelle wirkt, eine Zahnwanddicke für einheitlichere Zahnspannungsverteilung bereitgestellt ist, wie in Anspruch 1 beschrieben ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In der Beschreibung wird auf die beiliegenden, einen Teil der Beschreibung ausbildenden Zeichnungen Bezug genommen, welche ein Betriebsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen. Solche Beispiele decken jedoch nicht die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung erschöpfend ab, und daher wird auf die Ansprüche Bezug genommen, die der Beschreibung folgen und die den Schutzbereich der Erfindung festlegen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe zur Anwendung gebracht werden kann, wird nun beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1A eine Frontsicht des ursprünglichen Werkstücks ist, das in einer ersten Ausführungsform verwendet wird.
1B eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B aus 1A ist.
2A bis 2C Querschnittsansichten zeigen, nachdem ein erster Prozess der ersten Ausführungsform fertig gestellt ist und die jeweils eine Frontquerschnittsansicht, eine Frontquerschnittsansicht entlang der Linie B-B aus 2A und eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C aus 2a sind.
3A bis 3C Querschnittsansichten des Werkstücks zeigen, nachdem der zweite Prozess der ersten Ausführungsform fertig gestellt ist und die jeweils eine Frontquerschnittsansicht, eine Frontquerschnittsansicht entlang einer Linie B-B aus 3A, und eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang einer Linie C-C aus 3a sind.
4A bis 4C Querschnittsansichten des Werkstücks zeigen, nachdem ein dritter Prozess der ersten Ausführungsform fertig gestellt ist und die jeweils eine Frontquerschnittsansicht, eine Frontquerschnittsansicht entlang einer Linie B-B aus 4A, und eine Frontquerschnittsansicht entlang einer Linie C-C aus 4a sind.
5 eine vergrößerte Querschnittsansicht ist, wobei die Spannungsverteilungslinien an der Zahnstangenzahnreihe des ersten Vergleichsbeispiels (Stand der Technik) 1 überlagert ist.
6 eine vergrößerte Querschnittsansicht ist, wobei die Spannungsverteilungslinien an der Zahnstangenzahnreihe aus der Ausführungsform 1 (erste Ausführungsform) überlagert ist.
7 eine vergrößerte Querschnittsansicht ist, wobei die Spannungsverteilungslinien an der Zahnstangenzahnreihe aus einem zweiten Vergleichsbeispiel überlagert ist.
8 eine anschauliche Zeichnung ist, die die äußeren Dimensionen in mm der Zahnstangenzahnreihe in der fertigen Zahnstangenhülle der ersten Ausführungsform, des ersten Vergleichsbeispiels und des zweiten Vergleichsbeispiels zeigt.
9 eine vergrößerte Querschnittsansicht der Zahnstangenreihe ist und sie die verschiedenen Querschnittsdimensionen definiert.
10 eine perspektivische Sicht ist, die das Verfahren zum Herstellen der hohlen Zahnstangenwelle der zweiten Ausführungsform zeigt.
11 eine perspektivische Sicht ist, die ein Verfahren zum Herstellen einer hohlen Zahnstangenwelle der dritten Ausführungsform zeigt.
12 eine Querschnittsansicht einer Zahnstangenzahnreihe ist, die durch ein Verfahren des Standes der Technik hergestellt wurde.
13 eine Querschnittsansicht einer Zahnstangenzahnreihe ist, die durch ein anderes Verfahren des Standes der Technik hergestellt wurde.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1A und 1B zeigen das ursprüngliche Werkstück, das in der ersten Ausführungsform verwendet wird, und zeigen jeweils eine Frontsicht sowie eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B aus 1A. Ein im Wesentlichen rechtwinkliges Plattenwerkstück ist aus einer Blechrolle beispielsweise durch Ausstanzen oder Laserschneiden ausgeschnitten. SCr, SCM, welches zum Einsatzhärten und Abschrecken verwendet werden kann, oder aufgekohlter Stahl, der zum Induktionshärten geeignet ist, kann beispielsweise als Material verwendet werden. Die Breite w des Werkstücks 1 in der Zone 1a zwischen den Bereichen X und X, die durch die Pfeile in 1A gezeigt sind, haben auf beiden Seiten unterschiedliche Breiten der Zone 1b. Die Zone 1a ist zum Ausbilden der Zahnstangenzähne hier. Die Breite w wird so eingestellt, dass das Materialvolumen der Zone 1a in Bezug auf das Volumen der Zonen 1b nicht überdimensioniert oder unterdimensioniert ist, wenn eine Folge von Ausbildungsprozessen fertig gestellt sind.
2A bis 2C zeigen die Querschnittsansichten des Werkstücks 1 nachdem der erste Prozess (Arbeitsvorgang) fertig gestellt ist. 2A ist eine Frontquerschnittsansicht. 22 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B aus 2A. 2C zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C in 2A. In dem ersten Prozess wird das Werkstück 1 in eine Rinnenform gebogen, die im Zentrum einen flachen Bodenabschnitt fb hat, halbkreisförmige (halbzylindrische) Abschnitte sc, die sich an beiden Längsseiten erstrecken, und zwei Beinabschnitte lg, die sich von diesen auf beide seitlichen Seiten erstrecken.
Danach wird in einem zweiten Prozess eine Reihe von Zahnstangenzähnen 1d an dem flachen Boden fb ausgebildet. 3A bis 3C zeigen Querschnittsansichten des Werkstücks 1, nachdem der zweite Prozess fertig gestellt ist und die Figuren zeigen jeweils eine Frontquerschnittsansicht, eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B aus 3A und eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht aus 3A. Im zweiten Prozess werden eine obere Matrize (in der Zeichnung nicht gezeigt), die eine komplementäre Oberfläche an der Zahnstangenreihe 1d hat, und eine untere Matrize (in der Zeichnung nicht gezeigt) mit Unebeneinheiten (konvexe/konkave Oberflächen) entsprechend der Unebenheit an der Oberfläche der oberen Matrize verwendet. Im Zustand, dass das Werkstück 1 zwischen diese Matrizen gelegt wird, nähern sich die obere und untere Matrizen aneinander an, wobei eine Zahnstangenzahnreihe 1d ausgebildet wird und die Unebenheit ue auf der Rückseite durch auf das Werkstück Pressen der oberen und unteren Matrizen ausgebildet wird.
In der wie oben hergestellten Zahnstangenzahnreihe wird der Metallfluss F deformiert, indem eine geeignete Entfernung entlang der Frontoberfläche und der Rückoberfläche der Zahnstangenzahnreihe 1d gehalten wird, wie in 3C gezeigt. Auffallend ist, dass es dort kein Abschneiden des Metallflusses gibt, wie es bei Verzahnungsschneiden in der Zerspanungstechnik auftritt. Daher wird eine starke, hohle Zahnstange erhalten.
Generell ist es sehr schwierig, eine wellenähnliche Unebenheit an der inneren Oberfläche eines hohlen Werkstücks durch Einsetzen eines Dorns auszubilden, der eine komplementäre Oberfläche zu der Unebenheit hat. Da es notwendig ist, dass der Dorn dünn oder schlank genug ist, um ihn in den Hohlraum zu pressen, übersteht er daher nicht die Seitenkräfte beim Ausbilden. In der vorliegenden Ausführungsform hat das rinnenförmige Werkstück 1 zwei Beine, die sich nach außen öffnen, so dass sich die untere Matrize an das Werkstück aus einer rechtwinkligen Richtung zwischen den beiden Beinen 1g durch Hindurchgehen annähern kann. Die untere Matrize kann daher eine einfache Struktur haben und ermöglicht vergleichsweise gute Freiheit im Designprozess. Daher kann die Gestalt oder die Größe der unteren Matrize mit optimaler Genauigkeit ausgestaltet werden, um die Anforderungen der Zahnstangenzahnreihe auf der Frontoberfläche zu erreichen. Ferner kann die Lebensdauer der Matrize verlängert werden, da es keine Notwendigkeit für komplexe Bewegungen gibt. Die Effekte, die die Gestalt oder die Größe der Unebenheit auf die Stärke der Zahnstangenwelle Einfluss ausübt, werden später beschrieben.
In Zahnstangenwellen, die in VGR (variable Getriebeübersetzung („variable gear ratio")) Steuereinrichtungstypen verwendet wird, verändert sich die Neigung der Zähne entlang der Zahnstangenwellenachse. D. h., dass ein Materialvolumen an jedem Punkt entlang der Achse der Zahnstangenzahnreihe geändert und es daher schwierig ist, eine Reihe von Zahnstangenzähnen mit Präzision ohne Bogendeformation auszubilden.
Die Gestalt und die Größe der Unebenheit der unteren Matrize kann entlang der Achse der Zahnstangenwelle variiert werden, so dass das Volumen des Materials gemäß der axialen Position der Zahnstangenwellenzähne eingestellt werden kann. Die vorliegenden Ausführungsformen sind ebenfalls ideal zur Herstellung der VGR Zahnstangenwellen, bei denen es bekannterweise schwierig ist, sie durch plastische Deformation mit den Verfahren des Standes der Technik auszubilden.
4A bis 4C zeigen Querschnittsansichten des Werkstücks nachdem der dritte Prozess fertig gestellt ist. Die Figuren zeigen jeweils eine Frontquerschnittsansicht, eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B aus 4A, und eine Querschnittsansicht entlang einer Linie C-C aus 4A. In dem dritten Prozess werden die beiden Beine 1g durch Biegen als Bogen ausgebildet, so dass die Kanten A und B aneinander anstoßen. Die Beine 1g in Zone 1b werden in eine voll zylindrische Gestalt entlang des Bodens SC gebogen, der in dem ersten Prozess ausgebildet wurde, und die Beine 1b in der Zone 1a und der Zone 1b bilden einen beständigen Halbkreis aus. Das Ende A und das Ende B, die aneinander anstoßen, können ganz oder an manchen Abschnitten mittels beispielsweise Laserschweißen verbunden werden. Die Stärke der endbearbeiteten Hohlzahnstangenwelle kann sehr stark durch diese Verbindung gesteigert werden. Die Breite w in Zone 1a wird davor eingestellt, so dass das Ende A und das Ende B gebogen und so ausgebildet werden, dass sie sich gegenseitig entlang der gesamten Zone versiegeln.
Nachdem der dritte Prozess fertig gestellt ist, können die Zahnstangenzähne und andere Abschnitte mit der benötigten Stärke versehen werden, beispielsweise durch Aufkohlen und Abschrecken oder Induktionshärten. Dann werden beide Enden durch Schleifen endbearbeitet. Biegedeformation kann ebenfalls wie benötigt zwischen jedem Prozess geändert werden.
Der Effekt, dass sich die Gestalt oder die Größe der Unebenheit auf die Stärke der Zahnstangenwelle auswirkt, wird nachfolgend beschrieben.
5, 6 und 7 sind vergrößerte Querschnittsansichten der Zahnstangenzahnreihenabschnitte und zeigen jeweils ein Beispiel eines Rückens der Zahnstangenreihe, die nicht mit Unebenheit ausgebildet ist, ein Beispiel, das mit einer angemessenen Unebenheit ausgebildet ist und ein Beispiel, bei dem die Tiefe der konkaven Bereiche ausgesprochen tief ist. In diesen Figuren ist die Spannungsverteilung (Spannungsverteilungslinie) an dem Zahnstangenreihenquerschnitt überlagert, wenn eine Last F durch das Eingreifen von einem Zahnstangenzahn mit einem Zahnradzahn an dem Punkt f auswirkt.
Die Punke in diesen Zeichnungen werden folgendermaßen definiert: Eine Bodenlinie des Zahnstangenzahns schneidet eine Zahnoberflächenlinie im Punkt X; eine Linie, die von dem Punkt X senkrecht auf die innere Oberfläche (gegenüberliegende Oberfläche) IS gezogen wird, schneidet die innere Oberfläche IS in einem Punkt a; Punkt p ist ein Mittelpunkt der obere Zahnoberflächenlinie; eine Linie, die von einem Mittelpunkt des Zahnbodens zur inneren Oberfläche IS gezogen wird, schneidet die innere Oberfläche IS in dem Punkt C und eine Linie, die von dem Punkt b nach unten gezogen wird, schneidet die innere Oberfläche IS in dem Punkt B, wobei der Punkt b der oberste Punkt der konkaven Oberflächenkurve ist, im Fall, dass sie konkav ausgebildet ist. Die Indizes 1, 2 und 3 sind jeweils an den Symbolen wie benötigt angebracht, die den 5, 6 und 7 entsprechen.
In der Zahnstangenwelle des Standes der Technik (erstes Vergleichsbeispiel), das in 5 gezeigt ist, erscheint aufgrund der Last f eine maximale Spannung σ an dem Punkt X1. Die Spannung, die die Relation σc1 > σ2|σb1 hat, erscheint an den Punkten a1, b1 und c1 an der hinteren Zahnstangenoberfläche. Die Plattendicke des Zahnbodens ist verglichen mit den anderen Bereichen die dünnste, wenn die hintere Zahnstangenzahnoberfläche IS flach wie im Stand der Technik ist, und die Spannung neigt dazu, sich im Punkt c1 zu konzentrieren, so dass der Punkt c1 der schwächste an der hinteren Zahnstangenzahnoberfläche ist. Da die Spannung in der Umgebung des Punkts b1 fast nicht erscheint, kann man sagen, dass das Material in der Umgebung des Punkts b1 eine unnötige Steigerung des Zahnstangenwellengewichts verursacht. Das Material an den Punkten, die kaum Spannung aufnehmen, wird an Orte versetzt, die eine größere Menge an Spannung aufnehmen.
6 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht der Zahnstangenwelle; sie zeigt, dass Material an geeignete Orte versetzt wird. Als Ergebnis, dass durch plastische Deformation eine Folge von wellenähnlichen konkav-konvexen Bereichen vorgesehen ist und das Material des Punkts b1 zu der Zahnbodenseite versetzt wurde, die den Punkt a1 und c1 enthält, wurde die Plattendicke an dem Zahnboden von t1 auf t2 gesteigert. In dieser Weise werden die Spannungsverteilungslinien ein wenig in der Umgebung des Punkts X2, Punkt a2 und c2 verteilt, und die Spannung σX2, σa2 und σc2 an diesen Punkten wird konsequenterweise gesenkt. Umgekehrt erscheinen neue Spannungsverteilungslinien, welche in der Umgebung von Punkt b1 des Stands der Technik nicht existent sind, in der Umgebung des Punkts b2, der dem Punkt b1 entspricht, und man kann sagen, dass die Spannung am Punkt c2 im Wesentlichen dieselbe ist wie die Spannung am Punkt a2. Durch derartiges Verschieben von unnötigem Material auf verschiedene Orte kann eine leichtgewichtige Zahnstangenwelle ohne Stärkereduktion erhalten werden.
7 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht der Zahnstangenwelle, in der viel Material versetzt wurde. In diesem Beispiel wurde die Dicke des Zahnbodens auf t3 gesteigert, und es erscheinen keine Spannungsverteilungslinien 4 am Punkt a3 und am Punkt c3. Umgekehrt erscheint eine Spannung, die sich am Punkt t3 konzentriert, an der hinteren Oberfläche zwischen Punkt a3 und Punkt b3. Daher nimmt das Material in der Umgebung des Punkts a3 und des Punkts c3 kaum Spannung auf, und eine unangemessene Spannungsmenge wirkt am Punkt d3. In anderen Worten, wenn Material exzessiv versetzt wird, wie in diesem Beispiel, erscheinen neue Spannungskonzentrationen an verschiedenen Punkten. 8 zeigt gewöhnliche Dimensionen in Millimetern für die Zahnstangenwelle, die in den 5,
6 und 7 gezeigt ist. Numerische Beispiele, die in diesen Zeichnungen gezeigt sind, sind wie folgt (jede Dimension wird in Bezug auf 9 angegeben).
Erstes numerisches Vergleichsbeispiel
Eine Hohlzahnstangenwelle ist durch Verwendung eines hohlen Werkstücks mit einer Wandstärke von 3 mm und einem äußeren Durchmesser von 27 mm hergestellt, um eine Zahnstangenwelle durch ein Herstellungsverfahren des Standes der Technik (offenbart in dem offengelegten japanischen Patent Nr. Sho 58-218339 ) zu erzeugen, die die in 8 gezeigten Dimensionen hat. Die Dicke t1 (5) des Zahnbodens ist mit t1 = 1,52 mm gegeben. Die Spannungsverteilung wird analysiert, wenn eine Last F = 3 Kgf/mm² auf den Punkt f der Zahnstangenzähne einwirkt, die mit dem Zahnrad mit den in 8 gezeigten Dimensionen abrollt. Die Ergebnisse sind unten gezeigt. σX1 = 10,2 Kgf/mm2 σc1 = 4,67 Kgf/mm2 σb1 = 1,45 Kgf/mm2
Wenn die Spannung σb1 an dem Punkt b1 verglichen mit der Spannung σc1 am Punkt c1 extrem niedrig ist, nimmt das Material in der Umgebung von b1 kaum Spannung auf, so dass das Material in der Umgebung wenig zur strukturellen Stärke beiträgt.
Numerisches Muster
In dem Ausführungsmuster der Beschreibung (6) wird das Material des Punkts b1, welches kaum zur strukturellen Stärke beiträgt, wie vorhergehend beschrieben, an andere Orte umgeschichtet, beinhaltend die Hochspannungspunkte a1 und c1. Die Ausmaße einer Folge von wellenähnlichen konkav-konvexen Bereichen, die in dem Beispiel der Erfindung gezeigt sind, sind unten aufgeführt (unter Bezugnahme auf 9 für jedes Symbol) Δa2 = t2 = 1,80 mm Δb2 = 1,83 mm Δc2 = 1,83 mm
Die Spannung an jedem Punkt, wenn eine Last f (= 3 Kfg/mm²) aufgebracht wird, basierend auf den oberen Maßen, wird analysiert. Die Ergebnisse sind nachfolgend gezeigt. σX2 = 8,0 Kgf/mm2 σb2 = 3,62 Kgf/mm2
Zweites numerisches Vergleichsbeispiel
Die Dimensionen der Unebenheit, die in dem zweiten Vergleichsbeispiel gezeigt ist (Vergleichsbeispiel 2), sind unten aufgelistet. Δa3 = t3 = 2,50 mm Δb3 = 1,78 mm Δc2 = 2,64 mm
Die Spannung an jedem Punkt, wenn eine Last F (= 3 Kgf/mm²) auf dem Punkt f aufgebracht wird, wird analysiert. Der Spannungskonzentrationspunkt, der bisher nicht existierte, erscheint im Punkt d3 zwischen dem Punkt a3 und dem Punkt b3. Die Ergebnisse sind unten gezeigt: σX3 = 10,9 Kgf/mm2 σd3 = 6,53 Kgf/mm2
Die folgenden Schlüsse wurden durch Vergleichen dieser drei Muster erhalten. Die Spannungsverteilung in der Umgebung der hinteren Zahnstangenzahnoberfläche in dem Ausführungsmuster gemäß der Beschreibung ist die einförmigste. Die Spannung σX2 am Punkt X2 im Ausführungsmuster gemäß der Beschreibung ist kleiner als die Spannung σX1 im Vergleichsbeispiel 1 und die Spannung σX3 im Vergleichsbeispiel 2.
Die Ergebnisse von verschiedenen Tests zeigen, dass die Spannung sich nicht im Punkt c konzentriert, dass die Spannung σX kleiner ist als in anderen Fällen, und dass die Spannungskonzentration in den folgenden Fällen nicht im Punkt d3 in dem konkaven Bereich erscheint:
Wenn die hohle Zahnstangenwelle eine innere Oberfläche hat, die eine Folge von wellenähnlichen konkav-konvexen Bereichen entlang der Zahnstangenzahnreihe aufweist, und die Unebeneinheiten ue mit dem Zahnboden ausgebildet sind, so dass die Spannung, wenn eine Last auf die Zahnstangenzähne aufgebracht wird, gleichförmig verteilt ist;
wenn die Länge Δc der Linie, die vom Punkt X auf den Punkt c gezogen wird, im Wesentlichen gleich der Länge Δb der Linie ist, die vom Punkt X auf den Punkt b gezogen wird;
wenn eine senkrechte vom Punkt X auf die Kurve C, die das konkave der Unebenheit ue ausbildet, gezogene Linie durch den Punkt m hindurchläuft, der eine gerade Linie ausbildet; und
wenn Ac innerhalb eines Bereichs ist, so dass 0,9 × Ab ≤ Ac ≤ 1,1 × Ab.
Zum Ausbilden der Zähne, welche eine unebene Rückoberfläche haben, ist es nötig, dass die untere Matrize sich senkrecht an die obere Matrize annähert. D. h., dass eine hohle Zahnstangenwelle, die eine unebene Oberfläche hat, aus dem Werkstück erzeugt werden kann, die von unterschiedlicher Gestalt sind als das was in der ersten Ausführungsform offenbart ist, wenn nur die oberen und unteren Matrizen sich senkrecht aneinander annähern können. Die zweiten und dritten Ausführungsformen sind wie folgt:
Zweite Ausführungsform
10 ist eine perspektivische Ansicht zum einfachen Beschreiben des Verfahrens zum Herstellen einer hohlen Zahnstangenwelle, die mehrere Werkstücke verwendet. Im ersten Prozess wird eine oberes rinnenähnliches Werkstück 22 mit Zahnstangenzähnen zum Umfassen der oberen Hälfte (Zahnstangenzahnseite) der hohlen Zahnstangenwelle aus einem soliden kubischen Werkstück 21 oder einem Plattenwerkstück ausgebildet. Das rinnenförmige Werkstück 22 ist im Wesentlichen dasselbe wie das der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme des Unterschieds der Beinlänge. Die untere Matrize nähert sich zwischen den beiden offenen Beinen an, und wie oben zugeordnet, die Unebenheit ue wird an der Oberfläche IS auf der Rückseite der Zahnstangenzahnreihe ausgebildet. Im zweiten Prozess dieser Ausführungsform wird ein halbkreisförmiges unteres rinnenähnliches Werkstück 23, das aus einem kubischen Werkstück 21 oder einem Plattenwerkstück ausgebildet ist, an das obere rinnenähnliche Werkstück 22 angeschweißt. Der geschweißte Bereich und beide Enden werden dann durch Schleifen bearbeitet.
In dieser Ausführungsform werden die beiden rinnenähnlichen Werkstücke an ungefähr symmetrischen Positionen oben und unten geschweißt, so dass es keine Neigung zum Auftreten einer Schweißverkrümmung gibt, und dort eine geringe Notwendigkeit zur Begradigung vorhanden ist, und selbst wenn sie benötigt wird, die Menge der Begradigungskorrektur klein ist.
Dritte Ausführungsform
11 ist eine perspektivische Ansicht zum einfachen Zeigen eines anderen Verfahrens zur Herstellung einer hohlen Zahnstangenwelle, die mehrere Werkstücke verwendet. Eine viereckige hohle Zahnstangenwelle ist gezeigt, weil eine kreisrunde Gestalt nicht immer für beide Enden der hohlen Zahnstangenwelle benötigt wird. In einem ersten Prozess wird aus einem festen kubischen Werkstück 21 oder einem Plattenwerkstück ein oberes rinnenähnliches Werkstück 23 mit Zahnstangenzähnen ausgebildet, so dass es die obere Hälfte (Zahnstangenzahnseite) der hohlen Zahnstangenwelle umfasst. Das rinnenförmige Werkstück 22 ist im Wesentlichen dasselbe wie das der ersten Ausführungsform und das rinnenähnliche Werkstück der zweiten Ausführungsform, mit Ausnahme des Unterschieds der Beinlänge, und wie vorhergehend beschrieben, nähert sich die untere Matrize zwischen den beiden offenen Beinen an, und die Unebeneinheit ue ist auf der Oberfläche IS auf der Rückseite der Zahnstangenzahnreihe ausgebildet. In einem zweiten Prozess dieser Ausführungsform wird ein separat vorbereitetes unteres Plattenwerkstück 24 an das rinnenförmige Werkstück 22 angeschweißt. Der geschweißte Bereich und beide Enden werden durch Schleifen endbearbeitet.
In der Beschreibung, die die beiden oberen Ausführungsformen anwendet, wird eine hohle Zahnstangenwelle, die eine Reihe von Zahnstangenzähnen aufweist, die komplett auf der inneren Oberfläche bis zur äußeren Oberfläche ausgebildet sind, durch plastische Deformation erzeugt. Dabei wird der Metallfluss nicht gebrochen oder geschnitten und einförmig verteilt. Daher kann eine hohle Zahnstangenwelle mit hoher Stärke und einer langen Lebensdauer bereitgestellt werden.
Ebenfalls kann die hohle Zahnstangenwelle gemäß der beschriebenen Ausführungsformen, in denen eine Reihe von wellenähnlichen konkav-konvexen Bereichen an der inneren Oberfläche der Zahnstangenzähne ausgebildet ist, eine Spannungskonzentration verhindern. Mit den oben genannten Gründen wird die Spannung in den gesamten Abschnitten einförmiger verteilt, wodurch eine starke, leichtgewichtige hohle Zahnstangenwelle bereitgestellt werden kann.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine hohle Zahnstangenwelle mit hoher Stärke und langer Lebensdauer durch plastisches Ausbilden einer Reihe von Zahnstangenzähnen bereitzustellen, ohne den Metallfluss an der äußeren und inneren Oberfläche der hohlen Zahnstangenwelle zu schneiden.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Ausführungsformen ist eine hohle Zahnstangenwelle bereitzustellen, die mit einer Serie von wellenähnlichen konkav-konvexen Bereichen an der inneren Oberfläche ausgebildet ist. Die Spannungskonzentration an der inneren Oberfläche kann vermieden werden und die Spannung wird gleich verteilt. Daher kann eine hohle Zahnstangenwelle mit hoher Stärke und leichtem Gewicht bereitgestellt werden. Die hohle Zahnstangenwelle in der vorliegenden Ausführungsform wird aus einem Plattenwerkstück hergestellt.
Vorteilhafterweise wird eine hohle Zahnstangenwelle durch Schweißen einer rinnenförmigen halbkreisförmigen (halbrohrförmigen) oberen Hälfte und einer halbkreisförmigen unteren Hälfte erhalten. Die halbkreisförmige obere Hälfte ist mit einer Reihe von Zahnstangenzähnen ausgebildet und ist aus einem plattenförmigen Werkstück ausgebildet.
Die innere Oberfläche der hohlen Zahnstangenwelle gemäß der Erfindung hat eine Folge von wellenähnlichen konkav-konvexen Bereichen, die im Wesentlichen der Zahnstangenzahnoberfläche entsprechen und die Unebenheit wird mit der Zahnwanddicke für die gleichförmige Verteilung der Zahnspannung versehen, wenn eine Last auf die Welle aufgebracht wird. Die hohle Zahnstangenwelle wird durch spezifische Dimensionen der Abschnitte im Querschnitt der Zahnstangenzahnreihe definiert.
Andere Ziele und Vorteile neben den oben beschriebenen sind für den Fachmann aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche offenbar.

Claims

Hohle Zahnstangenwelle zur Verwendung in Fahrzeuglenkungsmechanismen, die eine innere Oberfläche (IS) der Zahnstangenzahnreihenabschnitte mit einer Folge von wellenähnlichen konkav-konvexen, im Wesentlichen der äußeren Zahnoberfläche entsprechenden Bereichen hat, bei der der Zahnstangenzahnreihenabschnitt der hohlen Zahnstangenwelle derart ausgebildet ist, dass, wenn eine Last auf die hohle Zahnstangenwelle wirkt, eine Zahnwanddicke für einheitlichere Zahnspannungsverteilung bereitgestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Querschnitt entlang der Längsachse des Zahnstangenzahnabschnitts der hohlen Zahnstangenwelle eine Länge Δc durch den Ausdruck 0,9 × Δb ≤ Δc ≤ 1,1 × Δbvorgegeben ist, in dem Δc als eine von einem Punkt X des Fußes eines Zahnstangenzahns zu einem Punkt c, welcher der Schnittpunkt des konvexen Bereichs und der Normalen im Mittelpunkt des Zahngrunds ist, gezogene Linie definiert ist, und Δb als eine vom Punkt X zu einem Punkt b, der der Mittelpunkt des konkaven Bereichs ist, gezogene Linie definiert ist.
Hohle Zahnstangenwelle nach Anspruch 1, bei der der Querschnitt ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass die Normale, die vom Punkt X zur den konkaven Bereich umfassenden Kurve C als eine Linie gezogen ist, die die Kurve C in einem Punkt m in einem im Wesentlichen geraden Linienbereich der Kurve C schneidet.
Hohle Zahnstangenwelle nach Anspruch 1, die einen im Wesentlichen einförmigen Metallfluss hat, der sich entlang der Kontur der Zahnstangenzahnreihe der hohlen Zahnstangenwelle fortsetzt, wo der Metallfluss nicht an den äußeren und inneren Oberflächen des Zahnstangenzahnreihenabschnitts abgeschnitten ist.
Hohle Zahnstangenwelle nach Anspruch 3, bei der die hohle Zahnstangenwelle mittels Ausformen eines plattenförmigen Werkstücks erzeugt wird.
Hohle Zahnstangenwelle nach Anspruch 3 oder 4, bei der die innere Oberfläche eine Reihe von wellenähnlichen konkav-konvexen Bereichen hat, die im Wesentlichen der äußeren Oberfläche der Zahnstangenzähne entsprechen.
Hohle Zahnstangenwelle nach Anspruch 3, 4 oder 5, in der eine rinnenförmige obere Hälfte, die eine Zahnstangenzahnreihe hat, und eine rinnenförmige, halbzylindrische untere Hälfte aneinander geschweißt sind.
Hohle Zahnstangenwelle nach Anspruch 6, bei der die rinnenförmige obere Hälfte und die rinnenförmige, halbzylindrische untere Hälfte jeweils mittels Ausformen eines Plattenwerkstücks erzeugt werden.