DE69010887T2

DE69010887T2 - Langgestreckte, leichtgebaute Zahnstange und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Info

Publication number: DE69010887T2
Application number: DE69010887T
Authority: DE
Inventors: Joseph A Simon
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-03-08
Filing date: 1990-12-14
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2010-12-15
Also published as: JPH04288923A; EP0445470A2; CA2034690C; US4991421A; JP2818306B2; ATE108713T1; EP0445470B1; CA2034690A1; EP0445470A3; DE69010887D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten, langgestreckten, stabförmigen Zahnstange, die in Fahrzeug-Lenkgetriebeanordnungen und ähnlichen Mechanismen verwendet wird, die eine Ritzel-Einrichtung zur Kraftübertragung durch eine Zahnstange verwendet und eine Verbindung zu anderen Elementen aufweist. Die Verbesserung betrifft die Gewichtsverminderung der Zahnstange und die Reduzierung ihrer Herstellungskosten.
Fahrzeug-Lenkgetriebeanordnungen enthalten einen langgestreckten Stab, der an einem Ende mit einer Ritzel-Einrichtung in Eingriff steht, um den Stab zu bewegen, und an seinem gegenüberliegenden Ende mit Elementen verbunden ist, um eine Schwenkbewegung der Fahrzeugräder zu bewirken. Im wesentlichen besteht der Stab aus einer langgestreckten Stahlstange mit Zahnstangengetriebezähnen, die, beispielsweise durch Räumen oder Schneiden mittels einer Werkzeugmaschine, schräg entlang einer ihrer Endbereiche gefertigt werden. Der gegenüberliegende Endbereich ist normalerweise mit einem Außengewinde versehen, um über eine Schraubverbindung mit einem anderen Element gekoppelt zu werden. Es ist wichtig, daß die stabförmige Zahnstange stabil und starr ist, und deshalb hat sie ein relativ hohes Gewicht.
Es wurden Versuche unternommen, das Gewicht der stabähnlichen Zahnstange zu reduzieren, indem Bereiche aus dem Metall herausgeschnitten wurden. Das heißt, es wurden Versuche unternommen, das Gewicht zu reduzieren, indem der mittlere Bereich des Verbindungs-Abschnitts des Stabes herausgebohrt wurde, wobei der Bereich der Zahnstange, an dem die Zähne angeordnet sind, aus Gründen der Festigkeit massiv bleibt. Gleichwohl muß beim Herausbohren des mittleren Bereiches aus dem Zahnstangenverbin dungs-Abschnitt des Stabes oder der Stange die verbleibende Wand relativ dick verbleiben, um das Ausbilden von Gewindegängen an ihrem freien Bereich zu ermöglichen. Außerdem werden für gewöhnlich feine Öffnungen als Durchgang für Fluide durch verschiedene Bereiche der Zahnstange gebohrt.
Das Herausbohren von Bereichen aus dem Stab oder der Stange in der Umgebung des Verbindungs-Abschnitts des Stabes ist relativ teuer und zeitaufwendig. Es besteht somit das Erfordernis eines praktikablen, preisgünstigen Verfahrens zur Herstellung stabförmiger Zahnstangen mit im wesentlichen hohlen Bereichen zur Gewichtsreduzierung des Abschnitts, wobei gleichzeitig die gesamte Stabilität und Festigkeit des Abschnitts nicht vermindert wird. Die Zahnstange wird mittels eines allgemein bekannten Kaltformextrudierverfahrens hergestellt, allerdings mit einigen Verbesserungen. Das zugrundeliegende Verfahren gemäß Stand der Technik ist beispielsweise in meinen früheren U.S. Patenten Nr. 3,837,205, das am 24. September 1974 für ein "Verfahren zur Kaltformung einer Metallröhre mit einem nach innen verstärkten Ende" erteilt wurde, Nr. 3,886,649, das am 3. Juni 1975 für ein "Verfahren zur Kaltformung einer Metallröhre mit einem nach innen verstärkten Ende" erteilt wurde, Nr. 4,277,969, das am 14. Juli 1981 für ein "Verfahren zum Kaltformen von Röhren mit nach innen gerichtet dickeren Wandbereichen" erteilt wurde, und Nr. 4,292,831, das am 6. Oktober 1981 für ein "Verfahren zum Extrudieren einer Metallröhre mit nach innen gerichtet dickeren Endbereichen" erteilt wurde, dargestellt. Diese Erfindung schafft eine verbesserte Zahnstange und ein Verfahren zur Herstellung der Zahnstange durch Kaltextrudieren.
Die oben genannte US-A-4,292,831 schafft ein Verfahren zur Herstellung einer hohlen Antriebsröhre gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei jedoch ein Stempel mit einem abgestuften Dorn für alle Stadien des Extrudierens verwendet wird. Die vorliegende Erfindung nach Anspruch 1 schafft ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung einer Lenkzahnstange mit stabilen Endbereichen, die ohne einen Dorn extrudiert werden, um eine dickwandige Konstruktion zu erhalten, die einen mittleren Raum mit kleinem Durchmesser aufweist, wobei ein anderer Stempel mit einem Dorn vorgesehen ist, der verwendet wird, um den dünnwandigen Mittelabschnitt zu extrudieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft das Ausbilden einer langgestreckten, stabförmigen Zahnstange durch ein Extrudier- oder Kaltformverfahren, durch das ein kurzer, röhrenförmiger Metall-Rohling durch eine Düse extrudiert wird, um einen im wesentlichen massiven Zahnstangen-Abschnitt und einen relativ dünnwandigen, hohlen Verbindungs-Abschnitt auszubilden, welcher am freien Ende des Verbindungs-Abschnitts einen verstärkten Endbereich zum Vorsehen eines Innengewindes hat. Das Extrudierverfahren bewirkt ebenfalls eine mittlere, dünne Öffnung durch den ansonsten massiven Zahnstangen-Abschnitt, die den Durchgang von Fluiden oder Luft ohne einen weiteren Bohrvorgang ermöglicht und außerdem das Gewicht der Zahnstange reduziert. Nachdem das Extrudieren der Zahnstange beendet ist, kann sie zum Beispiel durch Räumen geeignet bearbeitet werden, um die erforderlichen äußeren, schräg verlaufenden Zähne darauf auszubilden. Der freie verstärkte Endbereich des Verbindungs-Abschnitts kann ein Innen- oder ein Außengewinde aufweisen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, durch ein Kaltformextrudierverfah ren schnell und kostengünstig eine langgestreckte, Stangen- oder stabförmige Vorrichtung auszubilden, wobei deren einer Bereich im wesentlichen massiv und deren anderer Bereich im wesentlichen hohl ist, um den massiven Zahnstangen-Abschnitt, auf dem Zähne geschnitten werden können, und den hohlen, starren Verbindungs- Abschnitt zur Kraftübertragung von den Zähnen auf ein mit der Verbindung gekoppeltes Bauteil zu bilden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer stabförmigen Zahnstange einen dünnwandigen Verbindungs-Abschnitt auszubilden, wobei der Endbereich des Verbindungs-Abschnitts ausreichend verstärkt ist, um daran ein Gewinde oder andere Verbindungseinrichtungen vorsehen zu können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine stabförmige, langgestreckte Zahnstange zu schaffen, die im wesentlichen massiv ist, um zum Schneiden eines Gewindes ausreichend Material zu haben, und gleichzeitig an Stellen, an denen es möglich ist, hohl ist, um das Gewicht der Vorrichtung zu reduzieren, ohne deren Stabilität zu vermindern.
Eine zusätzliche Aufgabe besteht darin, eine Zahnstange zu schaffen, die durch ein Extrudierverfahren kostengünstiger herzustellen ist als durch Bohr- oder Metallschneidetechniken.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer stabförmigen, langgestreckten Zahnstange.
Fig. 2 ist eine perspektivische Querschnittsansicht in Richtung der Pfeile 2-2 aus Fig. 1.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines röhrenförmigen Metall-Rohlings.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht der extrudierten Zahnstange als Aufriß.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht, ähnlich Fig. 4, die jedoch die Zähne der Zahnstange und das Verbindungsgewinde zeigt, das auf der Zahnstange ausgebildet ist.
Fig. 6 ist eine ähnliche Ansicht zu Fig. 5, die aber eine Modifikation zeigt, wobei am äußeren Ende der Zahnstange ein Außengewinde ausgebildet ist.
Fig. 7 ist eine zusammengesetzte Ansicht, die neun separate schematische Ansichten zeigt, die in den Schritten 1-9 das Extrudieren der Zahnstange darstellen.

GENAUE BESCHREIBUNG

Fig. 1 stellt als Perspektive eine stabförmige Zahnstange 10 dar. Die Zahnstange ist aus zwei Teilen oder Abschnitten gebildet. Ein Abschnitt bildet einen Zahnstangen-Abschnitt 11, in den quer zur Achse der Zahnstange Getriebezähne eingeschnitten sind, beispielsweise durch Stoßen. Der zweite Abschnitt, der den Restabschnitt der stabförmigen Zahnstange darstellt, bildet einen langgestreckten Verbindungs-Abschnitt 14. Wie in der Querschnittsansicht aus Fig. 2 gezeigt, ist der Querschnitt des Zahnstangen-Abschnitts im wesentlichen massiv. Er ist jedoch mit einer dünnen Öffnung 15 mit kleinem Durchmesser ausgebildet, die sich entlang der Mittelachse erstreckt. Der Verbindungs- Abschnitt 14 ist mit einem hohlen Innenraum 16 eines gleichmäßigen Querschnitts ausgebildet. Der Verbindungs-Abschnitt weist somit eine dünne Wand 17 auf.
Der Verbindungs-Abschnitt ist mit dem Zahnstangen-Abschnitt längs hintereinander integriert gebildet. Sein freies Ende ist vorzugsweise mit einem dickwandigen Endbereich 18 ausgebildet, der mit einer Öffnung 19 mit kleinem Durchmesser versehen ist, die sich entlang seiner Achse erstreckt.
Wie in Fig. 5 gezeigt, kann die Öffnung 19 mit kleinem Durchmesser am Ende des Verbindungs-Abschnitts gebohrt werden und mit einem Innengewinde 20 versehen sein, um eine Verbindung mit einem entsprechenden Maschinenbauteil zu bewirken. Anderenfalls kann das verstärkte Ende 18 ein Außengewinde 21 aufweisen, das darauf ausgebildet ist (siehe Fig. 6), um mit einem anderen Element gekoppelt zu werden. Der verstärkte Endbereich schafft eine Wand, die zum Ausbilden eines Gewindes dick genug ist, ohne die Stabilität des Abschnitts nachteilig zu beeinflussen. Im Vergleich dazu wäre die dünne Wand 17 des Verbindungs-Abschnitts nicht dick genug, um eine ausreichende Stabilität zu erhalten, wenn ein Gewinde oder ähnliches entweder an der Innen- oder der Außenwand ausgebildet wird.
Bei der Herstellung der Zahnstange beginnt das Verfahren mit einem kurzen, rohrförmigen Metall-Rohling 30, der aus einem geeigneten Metall, wie einem Stahlmaterial mit den gewünschten Eigenschaften, besteht. Fig. 3 zeigt perspektivisch den Metall- Rohling. Die gegenüberliegenden Enden des Metall-Rohlings werden als vorderes Ende 26 und als hinteres Ende 27 bezeichnet. Der Metall-Rohling wird extrudiert, um eine Stange mit einem gleichmäßige äußeren Durchmesser zu schaffen, wobei im Verbindungs- Abschnitt ein hohler Innenraum mit gleichmäßigem Durchmesser, im Zahnstangen-Abschnitt die dünne Öffnung und im Bereich der verstärkten Wand die Öf fnung vorgesehen ist. Nachdem der Metall- Rohling extrudiert wurde, werden die Zahnstangenzähne 12 geschnitten. Wenn das Teil als Fahrzeuglenkzahnstange verwendet wird, ist es außerdem notwendig, schräg verlaufende Löcher in den hohlen Innenraum des Verbindungs-Abschnitts zu bohren, wobei auch andere Stellen möglich sind, damit Fluide durch die Mitte des Teils fließen können, sofern dies erforderlich ist. Auf solche Löcher wird nicht Bezug genommen, da sie nicht Gegenstand dieser Erfindung sind.
Fig. 7 zeigt schematisch die verschiedenen Schritte zur Herstellung des extrudierten Teils. Schritt 1 zeigt in perspektivischer Querschnittsansicht den röhrenförmigen Metall-Rohling 25, der in einer röhrenförmigen Düse 30 angeordnet ist, die ein Düseneintrittsende 31 zur Aufnahme des Metall-Rohlings aufweist. Die Düse ist ebenfalls mit einem Austrittsende versehen, das durch eine ringförmige, sich radial nach innen erstreckende Schulter 32 gebildet wird, die eine eingeengte Düsenöffnung 34 umgibt.
Wie in Schritt 2 gezeigt, wird als nächstes ein Stempel 35 in das Eintrittsende der Düse eingeführt. Der Stempel ist mit einem Stempelkörper 36 versehen, der die Düse im wesentlichen quer ausfüllt. Der Stempel hat ebenfalls ein im wesentlichen abgestumpftes vorderes Ende 37, das gegen das hintere Ende 27 des Metall-Rohlings drückt. Als nächstes wird der Stempel in Längsrichtung zur Öffnung bewegt, um den Metall-Rohling durch die Öffnung zu pressen. Umgekehrt könnte der Stempel stationär verbleiben, und die Düse könnte sich in Richtung auf den Stempel bewegen, so daß die gleiche relative Bewegung erreicht wäre. Durch Beschreibung der Bewegung des Stempels wird somit deutlich, daß sich die Bewegung auf eine Relativbewegung bezieht, bei der, abhängig vom speziell verwendeten Mechanismus, der bevorzugt wird, entweder der Stempel oder die Düse bewegt wird.
Bezogen auf Schritt 3 wird das vordere Ende des Metall-Rohlings durch die Düsenöffnung gepresst oder extrudiert, wenn sich der Stempel in Richtung auf die Düsenöffnung vorschiebt. Dadurch wird bewirkt, daß das Metall in Längsrichtung extrudiert und gleichzeitig radial nach innen zusammengedrückt wird. Durch geeignete Wahl des Drucks und der Abmessungen der Elemente erfolgt kein vollständiges, nach innen gerichtetes Zusammendrücken. Das heißt, daß ein kleiner Raum entlang der Achse des extrudierten Abschnitts verbleibt, um eine kleine mittlere Öffnung 15 zu schaffen. Der Durchmesser der Öffnung kann beträchtlich variieren. In einem Teil, das ungefähr 55,9 cm (22") lang ist, hat ein hohler Abschnitt die Länge von ungefähr 35,6 cm (14") und einen Durchmesser von 1,9 cm (3/4"), wobei eine Öffnung von weniger als 0,254 cm (1/10") ausgebildet sein kann. Die Abmessungen der Teile und ihrer Öffnungen kann beträchtlich variieren, was inbesondere von den Anforderungen an Größe und Stabilität des Teils abhängt. Für praktische Anwendungen ist der Querschnitt des Zahnstangen-Abschnitts im wesentlichen massiv mit einer kleinen Öffnung, die als eine Einrichtung zum Durchfließen von Fluiden dient, wie zum Beispiel Druckluft oder Öl, usw.
Beim Extrudieren des Zahnstangen-Abschnitts, wie in Schritt 4 gezeigt, wird der Stempel aus der Düse entfernt. Anschließend wird ein anderer Stempel 40, siehe Schritt 5, in die Düse eingeführt. Dieser Stempel ist mit einem dornartigen Vorsprung 41 versehen und hat eine ringförmige Schulter 42, die das obere Ende des Dorns umgibt, und zwar am unteren Ende des Stempelkörpers 43.
Der Dorn 41 wird im Inneren des verbleibenden Bereiches des Metall-Rohlings angeordnet. Dann wird der Stempel, wie in Schritt 6 gezeigt, so bewegt, daß sich dessen Dorn in der Mitte der Düsenöf fnung befindet, während das Extrudieren fortgesetzt wird. Auf diese Weise wird der dünnwandige, hohle Innenraum des Verbindungs-Abschnitts extrudiert. Wenn das Extrudieren beendet ist, wird der Stempel entfernt. (Siehe Schritt 7).
Als nächstes wird ein zweiter rohrförmiger Metall-Rohling 35a, wie in Schritt 8 gezeigt, in der Düse plaziert, und der erste Stempel 35 wird wieder eingesetzt. Durch die Bewegung des Stempels 35 beginnt das Extrudieren des zweiten Metall-Rohlings, während das Extrudieren des ersten Metall-Rohlings beendet wird. Das hintere Ende des ersten Metall-Rohlings wird somit nach innen zusammengedrückt, um den verstärkten Endwandbereich 18 auszubilden.
Wenn gewünscht, kann ein dritter Stempel verwendet werden, der, ähnlich dem Dorn des Stempels 40, einen Dorn mit jedoch einem geringeren Querschnittsdurchmesser aufweist, so daß die Öffnung 19 der verstärkten Wand 18 genau festgelegt und mit einem größeren Durchmesser hergestellt werden kann. In diesem Fall kann der zusätzliche Stempel verwendet werden, um den verstärkten Endbereich 18 auszubilden, und wird dann zur Fortsetzung des Verfahrens wieder entfernt.
Es ist beabsichtigt, daß das Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden kann, indem die oben beschriebene Schrittfolge wiederholt wird. Gleichwohl ist es möglich, die Schrittfolge umzukehren, indem der hohle Bereich und der verstärkte Endbereich des Verbindungs-Abschnitts zuerst gebildet werden und danach der im wesentlichen massive Zahnstangen-Abschnitt ausgebildet wird. In diesem Fall kann ein zweistufiger Stempel, d.h. mit einem schmaleren, vorderen Ende und einem breiteren, hinteren Ende verwendet werden, um zunächst mit dem schmaleren Dornende den verstärkten Wandbereich 18 und dann mit dem breiteren Dorn den hohlen Bereich des Verbindungs-Abschnitts mit dem größeren Durchmesser auszubilden. Der Stempel kann dann durch einen abgeflachten Endstempel ersetzt werden, um den im wesentlichen massiven Zahnstangen-Abschnitt auzubilden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer langgestreckten Zahnstange (10), die zur Kraftübertragung von einer Ritzel-Einrichtung in einer Fahrzeug-Lenkgetriebeanordnung verwendet wird und aus einem langgestreckten Zahnstangen-Abschnitt (11) längs hintereinander mit einem langgestreckten Verbindungs- Abschnitt (14) integriert gebildet ist, mit:

Plazieren eines kurzen röhrenförmigen Metall-Rohlings (25) in eine am Ende offene röhrenförmige Düse (30) mit einem Eintrittsende (31) und einem Extrusionsende, das durch eine ringförmige, sich radial nach innen erstreckende durchgängige Düsen-Extrusions-Öffnung (34) gebildet ist, die einen kleineren Querschnitt als der Rohling (25) hat, und durch die der Rohling extrudiert wird;

Einsetzen eines Stempels (35) mit einer kraftaufbringenden, relativ abgestumpften vorderen Endfläche (37) in das Düsen-Eintrittsende (31), um in der Düse (30) dicht anzuliegen, wobei die vordere Endfläche (37) des Stempels an dem hinteren Ende (27) des Rohlings (25) angreift und es ganz überdeckt, d.h. das ringförmige Ende und die Öffnung am Ende (27) des Rohlings, die am weitesten von der Düsen-Öffnung (34) entfernt sind;

Bewegen des Stempels (35) relativ zur Düse (30) längs in Richtung auf die Düsen-Öffnung (34) und Extrudieren des vorderen Endbereiches des Rohlings (25), d.h. des Bereiches, der zu Anfang der Düsen-Öffnung (34) am nächsten steht, durch die Düsen-Öffnung (34) und Zusammendrücken des vorderen Endbereiches des Rohlings während dessen Längs-Extrusion durch die Öffnung (34) radial nach innen, um einen mittleren Raum (15) mit kleinem Durchmesser zu schaffen, der sich entlang der Achse des extrudierten vorderen Endbereiches erstreckt, um den sich längsgerichtet erstreckenden Zahnstangen-Abschnitt mit einer kleinen mittleren Öffnung zu bilden, die sich entlang dessen Achse erstreckt;

Entfernen des Stempels (35) und dessen Ersetzen durch einen zweiten Stempel, der einen Dorn (41) hat, der sich längsgerichtet in den Rohling (25) erstreckt und eine ringförmige Schulter (42) hat, die an dem ringförmigen hinteren Ende des Rohlings angreift, und Bewegen des zweiten Stempels relativ zur Düsen-Öffnung (34) und Plazieren des Dorns (41) in der Düsen-Öffnung (34), um einen dünnwandigen röhrenförmigen Verbindungs-Abschnitt (17) um den Dorn (41) herum und durch die Öffnung (34) zu extrudieren;

wobei der vordere Bereich (11) des Rohlings den integrierten Zahnstangen-Abschnitt mit dessen kleiner mittlerer Öffnung (15) bildet, die sich entlang dessen Längsachse erstreckt und mit einem großen hohlen Raum (16) von im wesentlichen gleichbleibenden Durchmesser im integrierten, dünnwandigen röhrenförmigen Verbindungs-Abschnitt (17) in Verbindung steht, der durch den hinteren Endbereich des Rohlings durch die Extrusion durch die Düsen-Öffnung (34) gebildet wird;

und wobei eine Anzahl von Zähnen (12) relativ tiefin die äußere Fläche des Zahnstangen-Abschnitts (11) nach dessen Extrusion geschnitten werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Stempel (40) aus der Düse (30) entfernt und ein zweiter Rohling (35a) in die Düse (30) eingesetzt wird, kurz bevor die Extrusion des erstgenannten Rohlings (25) durch die Düse (30) beendet ist; und der erste Stempel (35) in die Düse (30) eingesetzt und der zweite Rohling (35a) in Richtung auf die Öffnung (34) gepreßt wird, um an dem erstgenannten Rohling (25) anzugreifen und ihn durch die Öffnung (34) zu pressen, um die Extrusion des erstgenannten Rohlings (25) mit einem nach innen gerichtet verdickten hinteren Endabschnitt (18) zu beenden, der am hinteren Ende des erstgenannten Rohlings (25) ausgebildet ist, wobei ein mittlerer, sich axial erstreckender Raum (19) in dem verdickten Endbereich des dünnwandigen Verbindungs-Abschnitts (17) ausgebildet wird; wobei der verdickte Endabschnitt (18) später mit Einrichtungen (20, 21) versehen werden kann, um ihn mit einem separaten entsprechenden Teil verbinden zu können.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei sich quer erstreckende beabstandet angeordnete Getriebe-Zähne (12) in den Zahnstangen-Abschnitt (11) entlang eines wesentlichen Bereiches seiner Länge geräumt sind, um nachfolgend mit einer Ritzel- Einrichtung vorbestimmter Größe einzugreifen.

4. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Zahnstange (14) mit Zahnstangen-Zähnen (12) an einem Ende und einem Schraubengewinde (20, 21) am anderen Ende versehen ist