WO2006100262A1 - Zahnstangenlenkung mit unterschiedlichen wandstärken - Google Patents

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WO2006100262A1
WO2006100262A1 PCT/EP2006/060947 EP2006060947W WO2006100262A1 WO 2006100262 A1 WO2006100262 A1 WO 2006100262A1 EP 2006060947 W EP2006060947 W EP 2006060947W WO 2006100262 A1 WO2006100262 A1 WO 2006100262A1
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WO
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housing
rack
pinion steering
mandrel
producing
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PCT/EP2006/060947
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English (en)
French (fr)
Inventor
Friedhelm GÜNTHER
Original Assignee
Schmittergroup Ag
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Publication date
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Priority to EP06725230A priority patent/EP1890926B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D3/00—Steering gears
    • B62D3/02—Steering gears mechanical
    • B62D3/12—Steering gears mechanical of rack-and-pinion type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/06—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle
    • B62D5/20—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle specially adapted for particular type of steering gear or particular application
    • B62D5/22—Power-assisted or power-driven steering fluid, i.e. using a pressurised fluid for most or all the force required for steering a vehicle specially adapted for particular type of steering gear or particular application for rack-and-pinion type

Definitions

  • the present invention relates to a rack and pinion steering, in particular for motor vehicles, according to the preamble of claim 1.
  • a motor vehicle with favorable consumption characteristics is therefore an important goal for model development.
  • One step in improving fuel economy is optimizing the weight of the motor vehicle. For this purpose, it makes sense to subject all components of the vehicle to an optimization of the weight.
  • space utilization in the engine compartment is becoming increasingly important. A compact, space-saving design of the components in the engine compartment is therefore desirable.
  • the steering systems are often wholly or partly made of steel.
  • other metals such as e.g. Aluminum are used.
  • the advantage of the material steel lies in the favorable cost of the material, the good processability and the high strength, in particular the ductility of the material. Weight can be saved with a production made of light metals such as aluminum, but the lower strength means that part of the weight advantage is reversed.
  • the high price of the material affects the economics of the solution. Also required for the processing or production of an aluminum die cast housing for rack and pinion steering devices are significantly higher than the corresponding manufacturing means for steel integral housing.
  • the housing parts are already experiencing stress, in particular by welding operations.
  • welding on a thin-walled pipe can result in changes in geometry due to thermal expansion and consequent constraints in the material structure.
  • Wall thickness of a housing are therefore limited. Due to the effect of heat, material properties, such as the load capacity of the material, also change
  • the housing of a rack and pinion steering is a substantially tubular structure, inside which the rack, supported by bearings, can move in the axial direction.
  • the rack is driven by a handlebar with attached or integrated pinion, which by means of a Pass through hole and corresponding housing extension is brought into engagement with the teeth of the rack.
  • the object of the housing is to protect the rack and the steering gear from contamination and to absorb the forces acting on the steering and rack forces and divert into the vehicle chassis or the body.
  • the housing In power steering systems, which are hydraulically driven, the housing often serves as a piston for the hydraulic oil used.
  • the forces acting on the housing of the rack and pinion steering can have different causes.
  • the other above-mentioned forces are but selectively introduced into the housing, for example, to the bearings of the rack or the handlebar or at the attachment points between the housing and chassis / body.
  • These selectively introduced forces are distributed over the cross section of the housing wall, so that at a distance from the point of introduction, the cross-sectional loads are significantly lower.
  • one is usually anxious in the construction of the housing To keep the distances between possible introduction and discharge points for forces to shorten the lever arm and thus to reduce any moments occurring low.
  • the main flow of force through the housing is limited to portions of the housing wall.
  • the thickness of the housing wall is reduced in the sub-areas that need to absorb a lower voltage and are located away from welding points. Since the reduced housing wall thickness can transmit the resulting voltages in this area, the stability of the rack and pinion steering housing is ensured at the same time significantly reduced material requirements and thus weight.
  • Rack and pinion steering housing with different housing wall thicknesses a Ziehringabstreckvons made on one or more thorns or reshaped.
  • a housing blank preferably a steel tube, for example made of RST37, first formed with a mold ring at one or both ends to form a driving edge. This driver edge must be tight enough to be able to form a positive connection with the tip of the dome.
  • the mandrel is inserted into the interior of the blank in such a way that it rests positively against the driving edge and thus prevents a movement of the housing blank along the axis of the mandrel.
  • the mandrel may have different diameters in the course of its longitudinal axis.
  • the housing blank is then stretched onto the mandrel by means of one or more draw rings and shaped in this way. This drawing rings can be used with different diameters depending on the required wall thickness of the rack and pinion steering housing.
  • After completion of the peeling process of the housing blank is stripped by means of a scraper from the mandrel and further processed at the ends.
  • the ends with an expanding mandrel and other Ziehringen in diameter and wall thickness can be further adapted.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section through an inventive rack and pinion steering with thicker and thinner housing walls and a directly welded oil line
  • FIG. 2 is an uncut view of the rack and pinion steering of FIG. 1
  • Fig. 3 shows a section through a housing extension with thicker and thinner walls
  • Fig. 4 shows a longitudinal section through another embodiment of a rack and pinion steering system according to the invention
  • Fig. 5 shows another embodiment of an inventive
  • Fig. 6 is a housing blank when molding the Mit Collegekante
  • FIG. 13 + 14 Another alternative embodiment with flange for the sensor and motor mounting
  • a rack and pinion steering according to the invention with a housing 1 and a housing extension 2 is shown.
  • the housing wall of the housing 1 has the wall thickness 3. Since the housing extension 2 in the region of a pass passage between housing extension 2 and housing 1, the shaft rotated by the steering device is brought into engagement with teeth in the complementary teeth of the rack in the rack and pinion steering housing, not insignificant forces can be introduced to the housing wall in the housing extension 2 , So that these forces can be absorbed, the housing is designed in this area with the thicker wall thickness 3. An additional introduction of force may be due to a fastening device 7, which also has the larger wall thickness 3 in conditioned on this area.
  • the wall thickness is kept constant in all areas of the housing over the housing cross-section in the housing transverse direction.
  • the wall thickness changes to the thinner wall thickness 4, then after a small jump in the wall of the housing wall to the wall thickness 5, which may be equal to the wall thickness 4, but need not be. Since no force application points are available in the area of the wall thicknesses 4 and 5, the wall thickness can be reduced here without any stability problems.
  • Outside the housing extends the oil line 8, which is connected in the region of the bore 9 with the housing.
  • Fig. 2 shows the housing of Fig. 1 from the outside in the closed state.
  • the housing peripheral change 10 can be seen.
  • the wall thickness can be changed, but it can also remain the same.
  • the lines 8 are guided close to the housing and thus allow a compact design of the entire rack and pinion steering.
  • the area of the fastening holder 7 and the housing extension 2 changes in the circumference of the circumference of the housing can be seen, which is accompanied by a wall thickness increase in these areas.
  • the individual components of the rack and pinion steering that is, housing 1 and housing extension 2, preferably each made in one piece.
  • the costs can be kept low and, moreover, corrosion problems by formation of local elements can be avoided.
  • the oil lines 8 are the auxiliary power assistance when steering by means of a hydraulic servo unit. Through these lines is a servo fluid in the
  • Working piston area of the rack and pinion steering moves, with a corresponding support pressure is built to facilitate movement of the steering.
  • the support of the steering movement by means of an electric drive is possible.
  • the wall thicknesses of the thick wall regions 3 and 6 preferably have a thickness ratio to the thinner wall sections 4 and 5 from 1, 3 to 1 to 1, 6 to 1.
  • a thickest wall thickness of 3 mm and a thinnest wall thickness of 2 mm, possibly with intermediate stages, has proved advantageous for certain requirements.
  • other wall thicknesses are conceivable.
  • Fig. 3 shows the housing extension 2 in the passport passage. Since different loads occur even with the housing extension 2 depending on the introduction of force, the wall thickness of the housing extension 2 changes from the rack housing end facing away in the direction of the rack housing 1. First, the thin and weight-saving wall thickness 11 is provided, then with the wall thickness 12 and then 13 increases the wall thickness successively to meet the increasing in the direction of the rack housing 1 loads.
  • Fig. 4 shows another embodiment in which the
  • Outer diameter of the housing 2 remains constant. In the area of the thicker wall thicknesses 3.6, the inner diameter is reduced in comparison to the area of the thinner wall thickness 4 in order to achieve a thicker housing wall in the more heavily loaded areas of the fastening and the pass-through passage.
  • This embodiment lends itself above all to electrically assisted power steering systems, in which sealing rings inside the housing can be dispensed with.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of a rack and pinion steering with hydraulic power assistance.
  • the actual housing with working piston for the power steering system is formed by the tubular housing part 1.
  • the housing extension 2 On the right side of this tubular housing part 1 is the housing extension 2 with the pressure lines 8 for the hydraulic fluid for auxiliary power assistance.
  • the steering stop disc 23 At the right end of the housing 1 is the steering stop disc 23, which is inserted into the housing part with the wall thickness 3.
  • the wall thickness 3 in this area is reinforced, since on the one hand by the housing extension 2, on the other hand, by the mounting bracket 7 forces are introduced into the rack and pinion steering. Also in the production of the rack-and-pinion steering housing, stresses occur in this area Welding the mounting bracket 7 and the housing extension 2, which are transmitted through the reinforced wall thickness.
  • Wall diameter is sufficient for transmitting the forces occurring.
  • Thickening point 26 is a seal holder 24, for sealing the
  • FIG. 6 to 12 show the various steps in the
  • Figure 7 shows the stripping of the housing blank 14 on the mandrel 16 by means of a first drawing ring 17. This results in the deformed area a thick wall portion 3 and a thin wall section 4.
  • the second drawing ring 18, as shown in Figure 8 a realized larger outer diameter, whereby a short, thick transition region 26 and a subsequent, thinner wall cross-sectional area 5 is transformed.
  • the housing blank can be stripped off the mandrel 16 by the wiper 20, which is displaceable transversely to the axis of the housing blank 14 or the mandrel 16.
  • the scraper 20 is driven to the mandrel, which comes one side to rest on the mandrel, while an adjacent side next is arranged at the end of the housing blank. About a relative movement of mandrel 16 and scraper 20 of the housing blank 14 is then stripped off the mandrel 16.
  • the housing blank is machined by the processing tools 21 at the ends to produce a clean end surface. Subsequently, by means of the expanding mandrel 22, as shown in Figure 11, one end widened, wherein, if necessary, also a further drawing ring for
  • FIG. 12 shows the formed tube with further finishing, which is not shown here, ready for the attachment of the housing extension 2,
  • FIG. 13 shows another embodiment of a rack and pinion steering housing according to the invention for an electrically assisted power steering system.
  • the ends of the housing part 1 are also executed in this embodiment with the increased wall thicknesses 3 and 6, while the middle part is designed with the reduced wall thickness 4.
  • the housing extension 2 is equipped in this embodiment with a flange 25 for attachment of the steering movement sensor and the motor for assisting the steering movement.
  • the mounting bracket 7 At the housing extension 2 opposite end of the steering housing is the mounting bracket 7, at the other end, near the housing extension 2, the steering stop plate 23 is executed at the housing end.
  • the inner diameter in the embodiment of Figure 13 is constant, to increase the wall thickness, the outer diameter changes.
  • Figure 14 shows an alternative embodiment of the steering in Figure 13, in which the outer diameter remains constant and the inner diameter is adapted to produce the different wall thicknesses.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zahnstangenlenkung mit einem Stahlintegralgehäuse (1), wobei das Gehäuse im Verlauf seiner Längsachse unterschiedliche, den jeweiligen Belastungsanforderungen angepaßte Wandungsquerschnitte (3, 4, 5, 6) aufweist.

Description

Zahnstangenlenkung mit unterschiedlichen Wandstärken
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zahnstangenlenkung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Beim Erwerb von Kraftfahrzeugen stehen heute für den Kunden auch die Verbrauchseigenschaften im Vordergrund der Kaufentscheidung. Ein Kraftfahrzeug mit günstigen Verbrauchseigenschaften ist daher für die Modellentwicklung ein wichtiges Ziel. Ein Schritt der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs liegt in der Optimierung des Gewichts des Kraftfahrzeugs. Dazu ist es sinnvoll, alle Bauteile des KFZ einer Optimierung des Gewichts zu unterziehen. Weiterhin ist durch die immer komplexer werdende Motortechnik und die damit verbundene Zunahme an Bauteilen und Bauelementen die Raumausnutzung im Motorraum von immer größerer Bedeutung. Eine kompakte, raumsparende Ausführung der Bauelemente im Motorraum ist daher wünschenswert.
[0003] Da die Lenkung eines Fahrzeugs hohe Kräfte übertragen und diese auch aufnehmen können muss, insbesondere bei Lenkungen mit Hilfskrafteinrichtungen (sogenannte Servo-Lenkungen), sind die Lenkungen häufig ganz oder teilweise aus Stahl gefertigt. Es können aber auch andere Metalle wie z.B. Aluminium zum Einsatz kommen. Der Vorteil des Werkstoffs Stahl liegt in den günstigen Kosten für das Material, der guten Verarbeitbarkeit und der hohen Festigkeit, insbesondere der Duktilität des Materials. Mit einer Fertigung aus Leichtmetallen wie Aluminium lässt sich zwar Gewicht einsparen, durch die niedrigere Festigkeit wird aber ein Teil des Gewichtsvorteils wieder aufgehoben. Zusätzlich beeinflusst der hohe Preis für das Material die Wirtschaftlichkeit der Lösung. Auch die für die Bearbeitung beziehungsweise Herstellung eines Aluminiumdruckgußgehäuses für Zahnstangenlenkungen benötigten Vorrichtungen sind deutlich höher als die entsprechenden Herstellungsmittel für Stahlintegralgehäuse.
[0004] Zudem können Aluminiumdruckgußgehäuse durch die wegen der geringeren Festigkeit von Aluminium notwendigen größeren Wandstärken nicht so kompakt fertigen wie Stahlgehäuse. Daher benötigen Druckgußgehäuse für Zahnstangenlenkungen mehr Platz im Motorraum. Ein weiterer Nachteil der Aluminiumdruckgußgehäuse sind eventuell auftretende Undichtigkeiten wegen der Gußporosität des Materials. Mit der Verwendung von unterschiedlichen Materialien, z.B. einer Kombination von Aluminium und Stahl, lassen sich diese Nachteile zwar teilweise ausgleichen, jedoch steigt der Fertigungsaufwand und damit auch wieder die Kosten. Durch Verwendung von unterschiedlichen Materialien steigt auch die Korrosionsgefahr durch Bildung von Lokalelementen, so dass die Gefahr kostspieliger Wartung und Reparatur steigt.
[0005] Auch bei der Herstellung einer Zahnstangenlenkung, insbesondere bei der Herstellung des Gehäuses, erfahren die Gehäuseteile bereits Belastungen, insbesondere durch Schweißvorgänge. So können durch Schweißen an einem dünnwandigen Rohr Geometrieänderungen durch Wärmeausdehnung und dadurch entstehende Zwängungen im Materialgefüge entstehen. Der Reduzierung der
Wandstärke eines Gehäuses sind daher Grenzen gesetzt. Dazu ändern sich durch Wärmeeinwirkung auch Materialeigenschaften wie beispielsweise die Belastbarkeit des
Stahls, wenn dieser vor dem Wärmeeintrag durch Kaltverformung verfestigt war. Eine lokale Erwärmung des Stahls über bestimmte Temperaturbereiche hinaus, wie sie beim
Schweißen unvermeidlich ist, hebt die Verfestigung durch die Kaltverformung in diesem
Bereich auf. Es ist daher im Bereich von Schweißpunkten wünschenswert, dass die Wandstärke des Gehäuses größer als die Einbrandtiefe der Schweißverbindung ist, so dass die Verfestigung durch die Kaltverformung nicht über den gesamten
Wandquerschnitt beeinträchtigt wird.
[0006] Es ergibt sich also die Aufgabe der Erfindung, eine Zahnstangenlenkung mit einem optimierten Gewicht bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellung zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die Zahnstangenlenkung nach Anspruch 1 erfüllt. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Ansprüche 18 und 24 beschreiben eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Zahnstangenlenkung.
[0007] Das Gehäuse einer Zahnstangenlenkung ist ein im Wesentlichen rohrförmiges Gebilde, in dessen Inneren sich die Zahnstange, gestützt durch Lager, in axialer Richtung bewegen kann. Angetrieben wird die Zahnstange durch eine Lenkstange mit daran befestigtem oder integriertem Ritzel, das mittels einer Passdurchgangsbohrung und entsprechender Gehäuseerweiterung mit den Zähnen der Zahnstange in Engriff gebracht wird. Die Aufgabe des Gehäuses ist es, die Zahnstange und das Lenkgetriebe vor Verschmutzung zu schützen und die auf Lenkung und Zahnstange wirkenden Kräfte aufzunehmen und in das Fahrzeugchassis oder die Karosserie abzuleiten. Bei Hilfskraftlenkungen, die hydraulisch angetrieben werden, dient das Gehäuse oft auch als Kolben für das verwendete Hydrauliköl.
[0008] Die Kräfte, die auf das Gehäuse der Zahnstangenlenkung einwirken, können unterschiedliche Ursachen haben. Zum einen gibt es die Kräfte, die aus der Lenkbewegung und den Abtriebskräften der Kurvenfahrt auf das Gehäuse einwirken. Dazu kommen noch Kräfte aus Stößen durch Fahrbahnunebenheiten oder z.B. das Anstoßen gegen einen Randstein beim Rangieren. Zum anderen existiert zumindest bei hydraulisch angetriebenen Hilfskraftlenkungen der Innendruck des Öls, der auf die gesamte Gehäusewand einwirkt.
[0009] Es ergibt sich daher die Erfindungsidee, durch Optimierung der verwendeten Materialmenge mit einer Anpassung der Bauteilgeometrie an die aufzunehmenden Kräfte das Gewicht der Zahnstangenlenkung zu reduzieren.
[0010] Der Innendruck bei hydraulisch angetriebenen Hilfskraftlenkungen ist aus
Gründen des Gleichgewichts im gesamten Innenraum des Gehäuses konstant und muss daher überall von der Gehäusewand aufgenommen werden. Deshalb kann die Aufnahme des Innendrucks durch das Gehäuse im Wesentlichen nur an geometrischen Unstetigkeitsstellen, wie z.B. Kanten oder Ecken, konstruktiv beeinflusst werden. In den übrigen Bereichen sind die durch den Innendruck entstehenden Kräfte praktisch überall gleich groß, so dass diese Kräfte überall gleichermaßen aufgenommen werden und beim Gehäuseentwurf berücksichtigt werden müssen.
[0011] Die übrigen oben genannten Kräfte werden aber punktuell in das Gehäuse eingebracht, z.B. an den Lagern der Zahnstange oder der Lenkstange oder auch an den Befestigungspunkten zwischen Gehäuse und Chassis/Karosserie. Diese punktuell eingeleiteten Kräfte verteilen sich auf den Querschnitt der Gehäusewand, so dass in einem Abstand von der Einleitungsstelle die Querschnittsbelastungen deutlich niedriger sind. Weiterhin ist man bei der Konstruktion des Gehäuses meist bestrebt, die Abstände zwischen möglichen Einleitungs- und Ableitungspunkten für Kräfte zur Verkürzung des Hebelarms und damit zur Verringerung eventuell auftretender Momente gering zu halten. Somit ist der hauptsächliche Kraftfluss durch das Gehäuse auf Teilbereiche der Gehäusewand beschränkt.
[0012] Durch das Anschweißen von Leitungen, Paßdurchgängen oder Befestigungseinrichtungen treten bei der Herstellung eines Gehäuses für eine Zahnstangenlenkung weitere Belastungen auf. Beim Schweißvorgang tritt unvermeidlich eine Erwärmung des Werkstücks auf, durch die wegen der Wärmeausdehnung des Stahls Spannungen entstehen, die vom Werkstück aufgenommen werden müssen. Ansonsten können diese Spannungen zu dauerhaften Verformungen führen, wodurch die Ausschußrate in der Produktion erhöht würde. Hinzu kommt, das bei Stahlgehäusen, die mittels Kaltverformung in die benötigte Gehäuseform umgeformt wurden, eine Verfestigung des Materials auftritt. Diese Verfestigung kann zumindest teilweise als Sicherheitsreserve bei der Bemessung des Bauteils genutzt werden. Durch den Wärmeeintrag beim Schweißen wird diese kaltverformungsbedingte Verfestigung aber lokal aufgehoben, so dass das Bauteil nicht mehr die notwendige Festigkeit aufweist und durch Belastungen bleibend verformt werden kann. Bei entsprechend ausreichenden Wandungsquerschnitten kann aber bei Schweißverfahren mit geringer Einbrandtiefe die Verfestigung durch Kaltverformung zumindest in Teilen des Wandungsquerschnitts erhalten werden, so dass die Festigkeit des Gesamtbauteils weiter gewährleistet bleibt. Daher können auch in Wandungsbereichen, die an oder sehr nahe bei Schweißpunkten liegen, die Wandungsquerschnitte nicht beliebig reduziert werden.
[0013] Im Rahmen der Erfindungsidee wird daher in den Teilbereichen, die eine geringere Spannung aufnehmen müssen und die entfernt von Schweißpunkten liegen, die Stärke der Gehäusewand reduziert. Da auch die reduzierte Gehäusewandstärke die in diesem Bereich anfallenden Spannungen übertragen kann, ist die Stabilität des Zahnstangenlenkungsgehäuses gewährleistet bei gleichzeitig erheblich reduziertem Materialbedarf und damit auch Gewicht.
[0014] Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes
Zahnstangenlenkungsgehäuse mit unterschiedlichen Gehäusewandstärken mittels eines Ziehringabstreckverfahrens auf einem oder mehreren Dornen hergestellt beziehungsweise umgeformt. Es sind aber auch alternative Verfahren wie Rundkneten, Rollumformen oder Kaltschmieden möglich. Dazu wird bei einer entsprechenden Vorrichtung ein Gehäuserohling, vorzugsweise ein Stahlrohr beispielsweise aus RST37, zunächst mit einem Formring an einem oder beiden Enden zur Bildung einer Mitnehmerkante umgeformt. Diese Mitnehmerkante muss eng genug sein, um mit der Spitze des Doms eine formschlüssige Verbindung eingehen zu können. Anschließend wird der Dorn so in das Innere des Rohlings eingeführt, dass er formschlüssig an der Mitnehmerkante ansteht und so eine Bewegung des Gehäuserohlings längs zur Achse des Doms verhindert. Der Dorn kann im Verlauf seiner Längsachse unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Im weiteren Verlauf wird dann mittels eines oder mehrerer Ziehringe der Gehäuserohling auf den Dorn abgestreckt und derart umgeformt. Hierbei können Ziehringe mit unterschiedlichen Durchmessern je nach benötigter Wanddicke des Zahnstangenlenkungsgehäuses verwendet werden. Nach Fertigstellung des Abziehvorgangs wird der Gehäuserohling mittels eines Abstreifers vom Dorn abgestreift und an den Enden weiter bearbeitet. Je nach Anforderungen können die Enden mit einer Aufweitdorn und weiteren Ziehringen in Durchmesser und Wandstärke weiter angepaßt werden.
[0015] Die folgenden Figuren zeigen einige beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Dabei zeigen:
Fig. 1 Einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zahnstangenlenkung mit dickeren und dünneren Gehäusewänden und einer direkt angeschweißten Ölleitung
Fig. 2 Eine ungeschnittene Darstellung der Zahnstangenlenkung aus Fig. 1
Fig. 3 Einen Schnitt durch eine Gehäuseerweiterung mit dickeren und dünneren Wänden
Fig. 4 Einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zahnstangenlenkung Fig. 5 Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Zahnstangenlenkung mit angeschweißten Leitungen
Fig. 6 Ein Gehäuserohling bei Anformung der Mitnehmerkante
Fig. 7 Die Umformung des Gehäuserohlings auf den Dorn mit den ersten
Ziehring
Fig. 8 Die weitere Umformung des Gehäuserohlings auf den Dorn mit dem zweiten Ziehring
Fig. 9 Den Gehäuserohling auf dem Dorn nach der Umformung mit dem dritten
Ziehring und vor dem Abstreifen durch den Abstreifer
Fig. 10 Den Gehäuserohling bei der Endenbearbeitung
Fig. 11 Den Gehäuserohling bei der Endaufweitung mit dem Aufweitdorn
Fig. 12 Den fertig umgeformten Gehäuserohling
Fig. 13 + 14 Eine weitere alternative Ausführungsform mit Flansch für die Sensor und Motorbefestigung
[0016] In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Zahnstangenlenkung mit einem Gehäuse 1 und einer Gehäuseerweiterung 2 dargestellt. Im Bereich der Gehäuseerweiterung 2 weist die Gehäusewand des Gehäuses 1 die Wandstärke 3 auf. Da durch die Gehäuseerweiterung 2 im Bereich eines Passdurchgangs zwischen Gehäuseerweiterung 2 und Gehäuse 1 die von der Lenkeinrichtung gedrehte Welle mit Zähnen in die komplementären Zähne der Zahnstange im Zahnstangenlenkungsgehäuse in Eingriff gebracht wird, können auf die Gehäusewand im Bereich der Gehäuseerweiterung 2 nicht unerhebliche Kräfte eingeleitet werden. Damit diese Kräfte aufgenommen werden können, ist das Gehäuse in diesem Bereich mit der dickeren Wandstärke 3 ausgeführt. Eine zusätzliche Krafteinleitung kann durch eine Befestigungsvorrichtung 7 bedingt sein, die ebenfalls die größere Wandstärke 3 in diesem Bereich bedingt. Vorzugsweise ist die Wandstärke in allen Bereichen des Gehäuse über den Gehäusequerschnitt in Gehäusequerrichtung konstant gehalten. Im Verlauf der Längsrichtung ändert sich die Wandstärke zur dünneren Wandstärke 4, dann nach einem kleinen Sprung im Gehäusewandverlauf zur Wandstärke 5, die gleich mit der Wandstärke 4 sein kann, aber nicht sein muss. Da im Bereich der Wandstärken 4 und 5 keine Krafteinleitungspunkte vorhanden sind, kann die Wandstärke hier reduziert werden, ohne dass es zu Stabilitätsproblemen kommt. Im weiteren Verlauf findet mit der Annäherung an eine Befestigungsvorrichtung 7 eine weitere Wandstärkenänderung zur Wandstärke 6 statt. Diese kann gleich der Wandstärke 3 sein, aber je nach Erfordernis auch kleiner oder größer. Außen am Gehäuse verläuft die Ölleitung 8, die im Bereich der Bohrung 9 mit dem Gehäuse verbunden ist.
[0017] Fig. 2 zeigt das Gehäuse aus Fig. 1 von außen im geschlossenen Zustand. Im mittleren Bereich ist die Gehäuseumfangsänderung 10 zu erkennen. Mit der Gehäuseumfangsänderung kann auch die Wandstärke geändert werden, sie kann aber auch gleich bleiben. Die Leitungen 8 werden nahe am Gehäuse geführt und ermöglichen so eine kompakte Ausführung der gesamten Zahnstangenlenkung. Im Bereich der Befestigungshalter 7 und der Gehäuseerweiterung 2 sind Umfangsänderungen des Gehäuseumfangs zu erkennen, die in diesen Bereichen mit einer Wandstärkenerhöhung einhergeht. Um den Fertigungsaufwand möglichst niedrig zu halten, sind die einzelnen Komponenten der Zahnstangenlenkung, dass heißt, Gehäuse 1 und Gehäuseerweiterung 2, vorzugsweise jeweils einstückig ausgeführt. Mit einer Fertigung aus einem einheitlichen Material, vorzugsweise Stahl beispielsweise in der Stahlgüte RST37 können die Kosten weiter niedrig gehalten werden und überdies Korrosionsprobleme durch Bildung von Lokalelementen vermieden werden.
[0018] Die Ölleitungen 8 dienen der Hilfskraftunterstützung beim Lenken mittels einer hydraulischen Servoeinheit. Durch diese Leitungen wird eine Servoflüssigkeit im
Arbeitskolbenbereich der Zahnstangenlenkung bewegt, mit der ein entsprechender Unterstützungsdruck zur leichteren Bewegung der Lenkung aufgebaut wird. Alternativ ist auch die Unterstützung der Lenkbewegung mittels eines Elektroantriebs möglich.
[0019] Die Wandstärken der dicken Wandbereiche 3 und 6 weisen vorzugsweise ein Dickenverhältnis zu den dünneren Wandungsabschnitten 4 und 5 von 1 ,3 zu 1 bis 1 ,6 zu 1 auf. Beispielsweise hat sich eine dickste Wandstärke von 3 mm und eine dünnste Wandstärke von 2 mm, eventuell mit Zwischenstufen, bei bestimmten Anforderungen als vorteilhaft erwiesen. Je nach Anforderungsprofil für die Zahnstangenlenkung sind aber auch andere Wandstärken denkbar.
[0020] Fig. 3 zeigt die Gehäuseerweiterung 2 im Bereich des Passdurchgangs. Da auch bei der Gehäuseerweiterung 2 je nach Krafteinleitung unterschiedliche Belastungen auftreten, ändert sich die Wandstärke der Gehäuseerweiterung 2 vom dem Zahnstangengehäuse abgewandten Ende in Richtung des Zahnstangengehäuses 1. Zunächst ist die dünne und Gewicht sparende Wandstärke 11 vorgesehen, danach wird mit der Wandstärke 12 und dann 13 die Wandstärke Sukzessive erhöht, um den in Richtung des Zahnstangengehäuses 1 weiter ansteigenden Belastungen gerecht zu werden.
[0021] Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der
Aussendurchmesser des Gehäuses 2 konstant bleibt. Im Bereich der dickeren Wandstärken 3,6 wird der Innendurchmesser im Vergleich zum Bereich der dünneren Wandstärke 4 verringert, um derart eine dickere Gehäusewand in den stärker belasteten Bereichen der Befestigung und des Passdurchgangs zu erreichen. Diese Ausführungsform bietet sich vor allen bei elektrisch unterstützten Hilfskraftlenkungen an, bei denen auf Dichtringe im Gehäuseinneren verzichtet werden kann.
[0022] Figur 5 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Zahnstangenlenkung mit hydraulischer Hilfskraftunterstützung. Das eigentliche Gehäuse mit Arbeitskolben für die Hilfskraftlenkung wird durch den rohrförmigen Gehäuseteil 1 gebildet. An der rechten Seite dieses rohrförmigen Gehäuseteils 1 befindet sich die Gehäuseerweiterung 2 mit den Druckleitungen 8 für das hydraulische Fluid zur Hilfskraftunterstützung. Am rechten Ende des Gehäuses 1 befindet sich die Lenkanschlagscheibe 23, die in den Gehäuseteil mit der Wandstärke 3 eingesetzt ist. Die Wandstärke 3 in diesem Bereich ist verstärkt ausgeführt, da einerseits durch die Gehäuseerweiterung 2, andererseits durch den Befestigungshalter 7 Kräfte in die Zahnstangenlenkung eingebracht werden. Auch bei der Herstellung des Zahnstangenlenkungsgehäuses treten in diesem Bereich Belastungen durch das Anschweißen des Befestigungshalters 7 und der Gehäuseerweiterung 2 auf, die durch die verstärkte Wanddicke übertragen werden.
[0023] Nach einem Übergangsbereich erfolgt in Längsrichtung des Gehäuses ein Gehäusebereich mit reduzierter Wandstärke 4, in dessen Verlauf keine
Belastungsspitzen aufgenommen werden müssen, so dass der reduzierte
Wanddurchmesser zur Übertragung der auftretenden Kräfte ausreichend ist. An einer
Verdickungsstelle 26 befindet sich ein Dichtungshalter 24, zur Abdichtung des
Arbeitskolbens, in dem sich das Fluid zur Hilfskraftunterstützung der Lenkbewegung befindet. Im weiteren Verlauf erhöht sich dann mit Annäherung an die linke Seite und den zweiten Befestigungshalter 7 die Wandstärke zur Wandstärke 6, um die am
Gehäuseende wieder auftretenden erhöhten Lasteinträge ohne Verformung des
Gehäuses abtragen zu können.
[0024] Die Figuren 6 bis 12 zeigen die verschiedenen Schritte bei der
Herstellung eines erfindungsgemäßen Zahnstangenlenkungsgehäuses mittels eines Ziehringabstreckverfahrens. In Figur 6 wird ein Ende eines rohrförmigen Gehäuserohlings 14 mit dem Formring 15 zu einer Mitnehmerkante umgeformt. Dabei kann entweder der Formring oder der Gehäuserohling ortsfest gehalten werden, der jeweils andere Teil wird dann gegen den ortsfesten Teil gepreßt, so dass der Gehäuserohling 14 entsprechend umgeformt wird.
[0025] Figur 7 zeigt das Abstrecken des Gehäuserohlings 14 auf den Dorn 16 mittels eines ersten Ziehrings 17. Dabei entstehen im umgeformten Bereich ein dicker Wandungsabschnitt 3 und ein dünner Wandungsabschnitt 4. Mit dem zweiten Ziehring 18 wird, wie in Figur 8 dargestellt, ein größerer Außendurchmesser realisiert, wodurch ein kurzer, dicker Übergangsbereich 26 und ein nachfolgender, dünnerer Wandquerschnittsbereich 5 umgeformt wird. Nach dem Umformen des Wandquerschnittsbereichs 6 mit einem dickeren Wandungsquerschnitt durch den Ziehring 19 in Figur 9 kann der Gehäuserohling durch den Abstreifer 20, der quer zur Achse des Gehäuserohlings 14 beziehungsweise des Doms 16 verschieblich ist, vom Dorn 16 abgestreift werden. Dazu wird der Abstreifer 20 so an den Dorn gefahren, das eine Seite zur Auflage an den Dorn kommt, während eine benachbarte Seite neben dem Ende des Gehäuserohlings angeordnet ist. Über eine Relativbewegung von Dorn 16 und Abstreifer 20 wird dann der Gehäuserohling 14 vom Dorn 16 abgestreift.
[0026] Wie in Figur 10 dargestellt, wird anschließend der Gehäuserohling durch die Bearbeitungswerkzeuge 21 an den Enden bearbeitet, um eine saubere Endfläche herzustellen. Anschließend wird mittels des Aufweitdoms 22, wie in Figur 11 dargestellt, ein Ende aufgeweitet, wobei je nach Bedarf auch ein weiterer Ziehring zur
Herstellung unterschiedlicher Wandquerschnitte im Endbereich eingesetzt werden kann. Figur 12 zeigt dann das umgeformte Rohr mit weiterer Endbearbeitung, die hier nicht dargestellt ist, fertig vorbereitet für das Anfügen der Gehäuseerweiterung 2,
Befestigungshalter 7 und Druckleitungen 8.
[0027] Figur 13 zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zahnstangenlenkungsgehäuses für eine elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung. Die Enden des Gehäuseteils 1 sind auch bei dieser Ausführungsform mit den erhöhten Wandstärken 3 und 6 ausgeführt, während der Mittelteil mit der reduzierten Wandstärke 4 ausgeführt ist. Die Gehäuseerweiterung 2 ist bei dieser Ausführungsform mit einem Flansch 25 zur Befestigung des Lenkbewegungssensors und des Motors zur Unterstützung der Lenkbewegung ausgestattet. Am der Gehäuseerweiterung 2 gegenüberliegenden Ende des Lenkungsgehäuses befindet sich der Befestigungshalter 7, am anderen Ende, nahe der Gehäuseerweiterung 2 ist die Lenkanschlagscheibe 23 am Gehäuseende ausgeführt. Der Innendurchmesser bei der Ausführungsform nach Figur 13 ist konstant, zur Erhöhung der Wandstärke ändert sich der Außendurchmesser. Figur 14 zeigt eine alternative Ausführungsform der Lenkung in Figur 13, bei der der Außendurchmesser konstant bleibt und der Innendurchmesser zur Erzeugung der unterschiedlichen Wandstärken angepaßt wird.
Bezugszeichenliste
1 Gehäuse
2 Passdurchgangsbohrung mit Gehäuseerweiterung
3 Gehäusewand mit dickem Querschnitt 4 Gehäusewand mit dünnem Querschnitt
5 Gehäusewand mit dünnem Querschnitt
6 Gehäusewand mit dickem Querschnitt
7 Befestigungsvorrichtung für Verbindung zu Chassis/Karosserie 8 Direkt angeschweißte Ölleitung
9 Bohrung für direkt angeschweißte Ölleitung
10 Querschnittsänderung an der Gehäuseaussenseite
11 ,12,13 Gehäusewand Passdurchgang, Querschnitte von dünn zu dick
14 Gehäuserohling 15 Formring
16 Dorn
17, 18, 19 Ziehring
20 Abstreifer
21 Werkzeuge zur Endenbearbeitung 22 Aufweitdorn
23 Lenkanschlagscheibe
24 Dichtungshalter
25 Flansch
26 verdickter Übergangsbereich 28 Luftausgleichsleitung

Claims

Patentansprüche
1. Zahnstangenlenkung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem länglichen, vorzugsweise im wesentlichen rohrförmigen Gehäuse (1 ), das eine Zahnstange zur Führung umgibt, und mit mindestens einer Passdurchgangsbohrung mit einer Gehäuseerweiterung (2), worüber ein Ritzel zum Antrieb der und/oder Eingriff in die Zahnstange über eine Lenkstange betätigt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) im Verlauf seiner Längsachse Änderungen der Wandstärke beziehungsweise unterschiedliche Wandstärken (3,4,5,6,26) aufweist.
2. Zahnstangenlenkung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseerweiterung (2) im Verlauf ihrer Längsachse Änderungen der Wandstärke beziehungsweise unterschiedliche Wandstärken (11 ,12,13) aufweist.
3. Zahnstangenlenkung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) und/oder die Gehäuseerweiterung (2) in Bereichen mit Schweißpunkten und/oder Kraftknotenpunkten eine dickere Wandung (3,6,13,26) als in sonstigen Bereichen (4,5,11 ,12) aufweist.
4. Zahnstangenlenkung nach Anspruch 1 , 2 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Änderungen (3-6,11-13,26) in der Wandstärke über den gesamten
Wandquerschnitt erstrecken.
5. Zahnstangenlenkung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) einstückig ausgeführt ist, vorzugsweise zumindest in einem rohrförmigen Bereich.
6. Zahnstangenlenkung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) und/oder die Gehäuseerweiterung (2) aus einem einheitlichen Material, beispielsweise Stahl, gefertigt ist.
7. Zahnstangenlenkung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur hydraulisch oder elektrisch angetriebenen Hilfskraft-Unterstützung vorgesehen sind.
8. Zahnstangenlenkung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine bauliche Integration von Anschlusseinrichtungen (7) zur Befestigung am Fahrzeugrahmen.
9. Zahnstangenlenkung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Wandungsabschnitte mit einer ersten
Dicke von 3 mm (dickerer Wandungsabschnitt) und einer zweiten Dicke von 2 mm (dünnerer Wandungsabschnitt).
10. Zahnstangenlenkung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dickeren Wandungsabschnitte zu den dünneren Wandungsabschnitten ein Verhältnis der Wandstärken zwischen 1 ,3:1 und 1 ,6:1 aufweisen.
11. Zahnstangenlenkung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) und/oder die Gehäuseerweiterung (2) durch ein Ziehring-Abstreckverfahren, durch Rundkneten, durch Rollumformen oder durch Kaltschmieden umgeformt ist.
12. Zahnstangenlenkung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) und/oder die Gehäuseerweiterung (2) eine Festigkeitserhöhung durch Kaltverformung aufweisen.
13. Zahnstangenlenkung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Flansch (25) an der Gehäuseerweiterung (2), der zur komplementären Aufnahme eines Flanschventils und/oder zur Befestigung eines Motors und/oder Sensors ausgebildet ist.
14. Vorrichtung zur Herstellung einer Zahnstangenlenkung mit einem Gehäuse (1 ), das unterschiedliche Wandstärken aufweist, mit mindestens einem Dorn (16) und einem oder mehreren dazu komplementären Ziehringen (17,18,19), dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn (16) entlang seiner Längsrichtung unterschiedliche Durchmesser aufweist, und der oder die Ziehringe (17,18,19) zum Kaltverformen eines Gehäuserohlings (14) mittels Abstrecken des Gehäuserohlings (14) auf den Dorn (16) ausgebildet sind.
15. Vorrichtung zur Herstellung einer Zahnstangenlenkung mit einem Gehäuse (1 ), das unterschiedliche Wandstärken aufweist, mit mindestens einem Dorn (16) und mehreren dazu komplementären Ziehringen (17,18,19), dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn (16) entlang seiner Längsrichtung einen konstanten Durchmesser aufweist, und die Ziehringe (17,18,19) zum Kaltverformen eines Gehäuserohlings (14) mittels Abstrecken des
Gehäuserohlings (14) auf den Dorn (16) mit interschiedlichen Innendurchmessern ausgebildet sind.
16. Vorrichtung zur Herstellung einer Zahnstangenlenkung nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch einen zweiten Dorn (22) zum Aufweiten einer Seite des Gehäuserohlings (14) nach erfolgter Umformung mit dem ersten Dorn (16) und dem oder den Ziehring(en) (17,18,19).
17. Vorrichtung zur Herstellung einer Zahnstangenlenkung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere komplementäre Ziehring(e) zur Umformung des Gehäuserohlings (14) in Zusammenwirkung mit dem zweiten Dorn (22) ausgebildet sind.
18. Vorrichtung zur Herstellung einer Zahnstangenlenkung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Formring (15) zum Anformen einer Mitnehmerkante an mindestens einem Ende des Gehäuserohlings (14) aufweist.
19. Vorrichtung zur Herstellung einer Zahnstangenlenkung nach einem der
Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Abstreifer bzw. Abstreifring (20) zum Abstreifen des Gehäuserohlings (14) vom Dorn (16) aufweist.
20. Vorrichtung zur Herstellung einer Zahnstangenlenkung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, gekennzeichnet durch Einrichtungen (21 ) zur
Endenbearbeitung des Gehäuserohlings (14).
21. Verfahren zur Herstellung einer Zahnstangenlenkung, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, mittels eines Ziehring-Abstreckverfahrens auf einen Dorn (16), gekennzeichnet durch folgende Schritte:
i) Anformen einer Mitnehmerkante an zumindest ein Ende eines Gehäuserohlings (14) mittels eines Formrings (15);
ii) Abstrecken des Gehäuserohlings (14) bis zu einem vorher bestimmten Längenabschnitt auf den Dorn (16) mittels eines Ziehrings (17), der einen geringeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Gehäuserohlings (14) aufweist;
iii) Abstreifen des Gehäuserohlings (14) vom Dorn (16) mittels eines Abstreifers bzw. Abstreifringes (20).
22. Verfahren zur Herstellung einer Zahnstangenlenkung gemäß Anspruch 21 , gekennzeichnet durch eine Wiederholung des Schritts ii) mit jeweils einem weiteren Ziehring (18,19) mit anderem Innendurchmesser, solange bis die verschiedenen gewünschten Außendurchmesser des Gehäuserohlings (14) ausgebildet sind.
23. Verfahren zur Herstellung einer Zahnstangenlenkung gemäß Anspruch 21 oder 22, gekennzeichnet durch unterschiedliche, insbesondere größer werdende Durchmesser des Doms (16) entlang seiner Längsachse.
24. Verfahren zur Herstellung einer Zahnstangenlenkung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Gehäuserohlings (14) nach dem Abstreifen vom Dorn (16) bearbeitet werden.
25. Verfahren zur Herstellung einer Zahnstangenlenkung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine eines oder beide
Enden des Gehäuserohlings (14) mittels eines Aufweitdoms (22) aufgeweitet werden.
26. Verfahren zur Herstellung einer Zahnstangenlenkung gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuserohling (14) mittels eines oder mehrere weiterer Ziehringe auf den Aufweitdorn (22) abgestreckt wird.
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