-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
einer Zahnstange aus einem Metallrohr, das keine geringere Festigkeit
aufweist, und dessen Gewicht um mehr als die Hälfte verringert werden kann,
und eine Vorrichtung für die Anwendung des Verfahrens.
-
Ein konventionelles Verfahren zur Herstellung einer Lenkzahnstange
für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen weist auf: das Fräsen eines Teils
einer zylindrischen Stange 58 zu einer halbzylindrischen Form mit einer
flachen Oberfläche, und das weitere Fräsen eines flachen Abschnittes, um
auf dessen Oberfläche die Zahnstange 58a zu bilden, wie in Fig. 1 gezeigt
wird. Derartige Zahnstangen nach dem bisherigen Stand der Technik sind
wegen ihres hohen Gewichtes und der hohen Kosten mangelhaft, da sie durch
Fräsen eines Abschnittes der Oberfläche einer Stange hergestellt werden,
die aus Stahl, usw. besteht.
-
Bei der jüngsten Herstellung von Kraftfahrzeugen wird für jedes Teil
ein niedriges Gewicht und eine bessere Festigkeit angesichts der
Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs und der Sicherheit gefordert.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher das Abstellen derartiger
Mängel nach dem bisherigen Stand der Technik und das Vorlegen eines
Verfahrens zur Herstellung von Zahnstangen bei Verwendung eines
Metallrohres, dessen Gewicht weniger als die Hälfte des der konventionellen
Stange beträgt, und dessen Festigkeit nicht geringer ist als die der
konventionellen Stange. Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung
ist das Vorlegen von Zahnstangen, die einfacher und billiger herzustellen
sind.
-
Es ist denkbar, daß ein Rohr mit einer geringeren Wanddicke
eingesetzt wird, und daß Zahnstangen damit bei Benutzung einer Form
hergestellt werden. Das zeigt noch Mängel darin, daß die Wand zu dünn
werden kann, wenn die Zahnstangen hergestellt werden, wodurch sich
Festigkeitsprobleme ergeben.
-
Wenn ein Material von ausreichender Dicke eingesetzt wurde, konnte
man Zahnstangen mit ausgezeichneter Festigkeit erhalten, aber das brachte
nicht die Gewichtsverringerung der Zahnstange.
-
Das JP 2247020 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Herstellung einer Zahnstange aus einem Metallrohr, wie sie beispielsweise
in den Oberbegriffen des Anspruchs 1 und bzw. des Anspruchs 4 definiert
werden, wobei die Zahnstange durch Verformen eines Teil des Rohres, um eine
im wesentlichen flache Oberfläche zu bilden, hergestellt wird, und wobei
die Verformung zu dem Teil des Rohres führt, der die flache Oberfläche
umfaßt, die eine größere Wanddicke aufweist. Das GB 2007569 beschreibt ein
Verfahren zur Verringerung der Wanddicke eines Metallrohres.
-
Die Ziele der vorliegenden Erfindung werden mittels des nachfolgend
beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung erreicht.
-
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur
Herstellung einer Zahnstange aus einem Metallrohr vorgelegt, die aufweist:
erste zweiteilige Werkzeuge für das primäre Formen, wobei die Werkzeuge
einen zylindrischen Hohlraum begrenzen, der beim Gebrauch das Rohr
aufnimmt, und wobei sie eine parallele Nut in der Längsrichtung begrenzen,
die sich vom Hohlraum aus erstreckt und eine Breite aufweist, die der der
zu bildenden Zahnstange gleicht, eine Presse, die in die parallele Nut der
Werkzeuge in der Längsrichtung gedrückt wird, wenn sich das Rohr innerhalb
des Hohlraumes befindet, zweite zweiteilige Werkzeuge für das sekundäre
Formen, wobei die sekundären Werkzeuge verzahnte und genutete Oberflächen
aufweisen, die einer auf der Zahnstange zu bildenden Zahnreihe entsprechen,
wobei sich jeder Zahn in einer Richtung senkrecht zur Achse der Zahnstange
erstreckt, einen Dorn mit halbkreisförmigem Querschnitt, der in die Bohrung
des Rohres hineingepreßt wird, wenn das Rohr von den zweiten Werkzeugen
aufgenommen wird, und gekennzeichnet durch eine Einrichtung für das
Einsetzen einer Kernstange in ein Ende der Rohrbohrung nach dem sekundären
Formen und eine Strangpresse mit Hochdruckschmierung, die die Wanddicke an
einem Ende des Rohres durch Anwenden von Druck und Gleiten auf den äußeren
Umfang des Rohres verringern soll, wobei die Einrichtung für das Einsetzen
einer Kernstange aufweist: eine Vielzahl von Kernstangen, die auf einer
Scheibe angeordnet sind und sich senkrecht zu deren Ebene erstrecken,
voneinander einen Abstand aufweisen und von der Achse der Scheibe einen
gleichen Abstand zeigen, und eine Antriebseinrichtung, die mit der Mitte
der Scheibe verbunden ist, um die Scheibe diskontinuerlich zu drehen, und
um die Scheibe in der Richtung der Achse der Scheibe zu bewegen.
-
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer
Zahnstange aus einem Metallrohr, das aufweist: einen Schritt des Anwendens
von Druck vom äußeren Umfang des Metallrohres mit einer vergleichsweise
großen Dicke, um einen Abschnitt herzustellen, auf dem die Zahnstangen
gebildet werden sollen, und der einen halbkreisförmigen Querschnitt
aufweist, einen Schritt des Montierens des Rohres zwischen den Werkzeugen
mit verzahnten und genuteten Oberflächen, die eine komplementäre Beziehung
zu den Zahnstangen aufweisen, die erhalten werden sollen, und des Pressens
eines Dornes mit einem halbkreisförmigen Querschnitt in die Bohrung des
Metallrohres hinein, und gekennzeichnet durch einen Schritt des Einsetzens
einer Kernstange in ein Ende des Metallrohres und des Montierens des Rohres
auf einer Strangpresse mit Hochdruckschmierung mit Bearbeitungsvorsprüngen
für das Walzen des Rohres, um die Wanddicke des Metallohres an dessen Ende
zu verringern, wobei die Kernstange aus einer Vielzahl von Kernstangen
ausgewählt wird, die angeordnet sind, damit sie abwechselnd verwendet
werden können.
-
Die Kernstangen zeigen einen kreisförmigen Querschnitt.
-
Die Erfindung wird weiter mittels des Beispiels und mit Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
-
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht nach dem bisherigen Stand der
Technik:
-
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Rohres mit einer größeren
Dicke, wie es bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
-
Fig. 3 eine Schnittdarstellung, die das Rohr zeigt, das mittels einer
Presse verformt werden soll;
-
Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Rohres nach der Verformung;
-
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Rohres nach der Verformung;
-
Fig. 6 eine seitliche Schnittdarstellung, die einen Dorn zeigt, der
für das Herstellen der Zahnstangen eingesetzt wird;
-
Fig. 7 eine Schnittdarstellung längs der Linie A-A in Fig. 6,
-
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht nach der Herstellung der
Zahnstangen;
-
Fig. 9 eine seitliche Schnittdarstellung, die das Strangpressen eines
Endes des Rohres zeigt;
-
Fig. 10 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Vorrichtung für das
Verringern der Wanddicke des Rohres;
-
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung für das
kontinuierliche Zuführen der Kernstangen unter Druck;
-
Fig. 12 und 13 vergrößerte Schnittdarstellungen, die die zweite
Ausführung einer Vorrichtung für das Verringern der Wanddicke des Rohres
zeigen; und
-
Fig. 14 eine Seitenansicht, die eine weitere Ausführung der
Kernstange zeigt.
-
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Metallrohres 1 mit
einer relativ großen Wanddicke, das beim Verfahren entsprechend der
vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Das Rohr 1 wird auf einem
symmetrischen Paar halbzylindrischer zweiteiliger Werkzeuge 11, 12 für das
primäre Formen montiert, wie es in Fig. 3 und 4 gezeigt wird. Die Werkzeuge
11, 12 stoßen an den unteren gegenüberliegenden Oberflächen 11a, 12a dicht
aneinander an, wie in der Fig. gezeigt wird, und die oberen
gegenüberliegenden Oberflächen 11b, 12b sind parallel zueinander, zeigen
aber einen Abstand voneinander, der im wesentlichen der Breite einer
verzahnten und genuteten Oberfläche 5 entspricht, die auf der Zahnstange
hergestellt werden soll, und bilden eine Nut mit parallelen Seiten in der
Längsrichtung. Es werden konkave bogenartige Oberflächen 11c, 12c zwischen
den unteren und oberen gegenüberliegenden Oberflächen 11b, 12b, 11a, 12a
der Werkzeuge 11, 12 gebildet.
-
Das Metallrohr 1, das im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie
die Zahnstange aufweist, wird genau zwischen die konkaven Oberflächen 11c,
12c eingepaßt, und die Werkzeuge 11 und 12 werden miteinander gekoppelt.
-
Die obere Fläche 1a des Metallrohres 1, die zwischen den Oberflächen
11b und 12b freigelegt ist, wird mittels einer nicht gezeigten Einrichtung
erwärmt und erweicht. Das Erwärmen ist für ein dünnwandiges Rohr nicht
erforderlich, wird aber für ein dickwandiges Rohr bevorzugt.
-
Ein winkeliges stangenförmiges Preßwerkzeug 13 mit im wesentlichen
der gleichen Länge wie der flache Oberflächenabschnitt der Zahnstange wird
zwischen die Oberflächen 11b und 12b gepreßt, und die obere Fläche 1a des
Metallrohres 1 wird in eine Form gepreßt, die einen teilweise kreisförmigen
Querschnitt aufweist.
-
Wie in Fig. 4 und 5 gezeigt wird, umfaßt das geformte Rohr 16 die
Enden 2, 3 mit kreisförmigem Querschnitt und eine flache Oberfläche 4 von
vorgegebener Länge und mit der gleichen Breite wie die der verzahnten und
genuteten Oberfläche 5, die auf der Zahnstange gebildet werden soll. Da die
obere Fläche 1a des Metallrohres 1 durch Erwärmen erweicht wird, wird die
Rückseite der flachen Oberfläche 4 wie eine dicke Konvexlinse ausgebaucht
(siehe Fig. 4).
-
Fig. 6 und 7 zeigen ein symmetrisches Paar der zweiteiligen Werkzeuge
31, 32 für das sekundäre Formen, die jeweils eine halbzylindrische Form
aufweisen. Die Oberseiten der konkaven Oberflächen 31a, 32a auf den
gegenüberliegenden Oberseiten verlaufen senkrecht zur Achse des Rohres 1
außer an dessen beiden Enden und sind mit den verzahnten und genuteten
Oberflächen 31b, 32b entsprechend den verzahnten und genuteten Oberflächen
5 der Zahnstange versehen. Die Enden der konkaven Oberflächen 31a, 32a
werden verbunden, um weiter die halbkreisförmigen Abschnitte 31c, 32c zu
bilden, die einen kreisförmigen Querschnitt bilden, wobei sie annähernd die
gleiche Form und den gleichen Durchmesser wie die Enden 2, 3 des ersten
Preßwerkzeuges 1a aufweisen.
-
Ein halbzylindrischer Dorn 33 besitzt ein konisches Ende, das dem
Innendurchmesser des Metallrohres 1 gleicht, und sein Ende 33d ist etwas
kleiner ausgebildet als der Durchmesser des ersten geformten rohrförmigen
Teils. Ein Weg 33a für das Schmiermittel ist vorhanden, und er führt vom
Ende des Dornes zu dessen äußeren Umfangsfläche. Der Dorn weist einen
geneigten Abschnitt 33c an dem Abschnitt auf, der an den konvexen Abschnitt
anstößt, um den konvexen Abschnitt in Richtung der verzahnten und genuteten
Oberflächen 31a, 31b zu pressen. Die zweiteiligen Werkzeuge 31, 32 für das
sekundäre Formen werden miteinander verbunden, nachdem das erste geformte
rohrförmige Teil 1a dazwischen eingesetzt ist, und der Dorn 33 wird in das
Teil hineingepreßt, indem Schmieröl von der rechten Seite in der Fig. aus
zugeführt wird. Der geneigte Abschnitt 33c des Dornes 33 drückt nur den
flachen Abschnitt 4 des ersten geformten rohrförmigen Teils 1a nach oben,
wobei sein äußerer Umfang in die konkaven Oberflächen 31a, 32a der
zweiteiligen Werkzeuge 31, 32 eingreift, um dadurch eine Zahnreihe auf der
flachen Oberfläche zu bilden und eine Zahnstange zu erhalten, wie in Fig.
8 gezeigt wird.
-
Bei dieser Ausführung stößt ein Anschlag 42 mit einem Loch in der
Mitte gegen das linke Ende der Werkzeuge 31, 32, wie in Fig. 6 gezeigt
wird. Ein Zwischenstück 41 wird in einer flüssigkeitsdichten Weise durch
den Anschlag 42 und das Rohr 1, das an den Anschlag stößt, eingesetzt, und
Schmieröl mit dem vorgegebenen Druck wird von einer nicht gezeigten Quelle
dem Rohr 1 über einen Weg 41a zugeführt, der durch das Zwischenstück 41
gebohrt ist.
-
Im Fall eines Lenkmechanismus eines Kraftfahrzeuges, der die Bewegung
des Lenkrades auf die Vorderräder überträgt, wird ein länglicher, hohler
Rohrabschnitt ohne Zahnstangen gebildet. Wenn das Rohr aus einem relativ
dicken Material hergestellt ist, wird das Rohr das Gewicht des
Kraftfahrzeuges als Ganzes beeinflussen.
-
Die vorliegende Erfindung legt daher ein Verfahren und eine
Einrichtung zur größtmöglichen Verringerung der Dicke des Rohres vor. In
ein Ende des sekundär geformten Rohres 1 wird eine zylindrische Kernstange
44 mit etwa dem gleichen Durchmesser wie der Innendurchmesser des Rohres
eingesetzt. Das Rohr 1 wird danach zwischen die Werkzeuge 48, 49
(Strangpresse mit Hochdruckschmierung) eingesetzt, die auf ihrem inneren
Umfang mit einem Bearbeitungsvorsprung 46 versehen sind, der jeweils einen
trapezförmigen Querschnitt aufweist, und die den zylindrischen äußeren
Umfang des sekundär geformten rohrförmigen Teils mit etwa 50 t Druck von
oben und unten pressen. Die zweiteiligen Werkzeuge 48, 49 werden horizontal
bewegt, um den äußeren Umfang des Rohres 1 kräftig aufzuweiten und zu
dehnen.
-
Die Bearbeitungsvorsprünge 46 sollten vorzugsweise aus superhartem
Stahl hergestellt werden und einen Winkel, der annähernd senkrecht zur
Oberfläche des Rohres verläuft, an einem Ende und einen spitzen Winkel von
bis 20 Grad relativ zur Oberfläche des Rohres am anderen Ende aufweisen.
Die Breite D der Berührungsfläche muß vorzugsweise 3 bis 10 mm betragen.
Wenn die Dicke des Rohres bei Verwendung der zweiteiligen Werkzeuge
abnimmt, wird empfohlen, Schmieröl, usw. vom Weg 50 der Werkzeuge mit 500
bis 10000 kg/cm² zuzuführen, um zu verhindern, daß das Rohr überhitzt und
spröde wird. Wenn die Dicke des Rohres bei Verwendung der Kernstange 44
abnimmt, muß Zeit zur Verfügung gestellt werden, damit die Stange 44
abkühlen kann, bevor die nächste Zahnstange hergestellt wird.
-
Die vorliegende Erfindung weist daher auf: eine Vielzahl von
zylindrischen Kernstangen 44, die vertikal mit einer Scheibe 52 verbunden
sind, und eine Antriebseinrichtung 54, die diskontinuierlich die Scheibe
52 dreht, ebenso wie sie teleskopisch die Scheibe 52 in der axialen
Richtung bewegt, wobei die Scheibe 52 mit der Einrichtung in der Mitte der
Scheibe und über eine Stange 56 verbunden ist. Nach dem Verwenden einer
Kernstange 44 beim Walzen des äußeren Umfanges des Rohres wird die Scheibe
52 um einen vorgegebenen Winkel gedreht, und eine neue Kernstange 44 wird
eingesetzt, um den Arbeitsgang zu wiederholen.
-
Das Verfahren zur Herstellung von Zahnstangen bei Verwendung einer
Vorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, wie sie vorangehend
konstruiert wurde, wird detaillierter nachfolgend beschrieben.
-
(1) Der Abschnitt, der eine flache Oberfläche bildet, wird vorher
erwärmt und erweicht.
-
Dieser Arbeitsgang ermöglicht, daß die Rückseite des flachen
Abschnittes 4 angehoben und in eine konvexe Form geändert wird, wenn das
Preßwerkzeug kräftig in die Werkzeuge eingesetzt wird.
-
(2) Das Metallrohr wird in die zweiteiligen Werkzeuge für das
primäre Formen eingesetzt, und das Preßwerkzeug wird auf den Abschnitt
gepreßt, wo die Zahnstangen gebildet werden sollen, um diesen Abschnitt des
Rohres zu verformen (primäres Formen).
-
(3) Der zuerst geformte rohrförmige Teil wird in die zweiteiligen
Werkzeuge für das sekundäre Formen eingesetzt, wobei die flache Oberfläche
zur verzahnten und genuteten Oberfläche der Werkzeuge hin liegt, und der
Dorn wird danach in die Bohrung des zuerst geformten rohrförmigen Teils
hineingepreßt, um die Rückseite der flachen Oberfläche nach oben in
Richtung der verzahnten und genuteten Oberflächen der Werkzeuge für das
sekundäre Formen zu pressen, um dadurch die Zahnstangen zu bilden.
-
(4) Der Dorn wird aus dem sekundär geformten rohrförmigen Teil
entfernt, und danach wird eine Kernstange mit einem kreisförmigen
Querschnitt in den hohlen Zylinder am Ende des Rohres eingesetzt.
-
(5) Nach dem Einsetzen der Kernstange werden die zweiteiligen
Werkzeuge, die an ihrem inneren Umfang die Bearbeitungsvorsprünge
aufweisen, mit Druck angewandt und bewegt, um die äußere Umfangsfläche des
Metallrohres strangzupressen. Dieser Arbeitsgang verringert die Dicke des
Metallrohres auf weniger als die Hälfte der ursprünglichen Dicke.
-
Wie es vorangehend beschrieben wird, benutzt die Vorrichtung und das
Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung ein Metallrohr mit einer
relativ großen Dicke für ein leichtes Bilden der Zahnstangen und dehnt und
verringert die äußere Umfangsdicke des Rohres an dessen einem Ende, nachdem
die Zahnstangen gebildet sind. Die vorliegende Erfindung legt daher eine
Zahnstange mit einer beträchtlichen Dicke mit einem relativ dünnwandigen
Ende vor, die ein geringeres Gewicht als die Zahnstange nach dem bisherigen
Stand der Technik aufweist, aber in gleicher Weise funktioniert.
-
Die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung ermöglicht
das Auswechseln der Kernstange, die beim Vorgang des Walzens erwärmt wurde,
gegen eine kalte Stange, so daß der Vorgang des Walzens leicht und
kontinuierlich durchgeführt werden kann.
-
Fig. 12 und 13 zeigen eine zweite Ausführung der Einrichtung zur
Verringerung der Dicke des Rohres 1, bei der die Kernstange 44' eine dünne
kegelförmige Form aufweist, und bei der die Strangpressen 48', 49' in einer
Ausführung vorliegen, bei der der äußere Umfang des Metallrohres 1 gewalzt
wird. Entsprechend dieser Ausführung wird der Kern 44' in das Rohr 1
eingesetzt, um den äußeren Umfang des Endes des Rohres 1 kegelförmig zu
machen, und danach werden die Strangpressen 48', 49' montiert und über den
äußeren Umfang des Rohres 1 bewegt. Das auf diese Weise erhaltene Rohr
zeigt ein dünnes Ende und ein alimähliches Zunehmen der Dicke in Richtung
der Mitte.
-
Bei der vorliegenden Ausführung zeigt die äußere Umfangsfläche des
Kernes 44' eine gleichmäßige Konizität, aber die Erfindung darf nicht auf
diese Ausführung beschränkt werden. Eine Kernstange mit mehreren Stufen
44'a mit kegelförmigen Abschnitten zwischen den Stufen kann eingesetzt
werden, wie in Fig. 14 gezeigt wird.