WO2021180608A1 - Verfahren zur herstellung eines lenkwellenteils einer lenkwelle für ein kraftfahrzeug, verfahren zur herstellung einer lenkwelle für ein kraftfahrzeug, lenkwellenteil für eine lenkwelle für ein kraftfahrzeug, lenkwelle für ein kraftfahrzeug und lenksäule für ein kraftfahrzeug - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a steering shaft part of a steering shaft for a motor vehicle, which has a tubular steering shaft section extending from an end face in a longitudinal direction, which has a connecting section in an end section extending from the end face over a section of the steering shaft section, which at least over part of its length has a wall thickness enlargement compared to a section of the steering shaft part adjoining the connecting section, comprising the steps
- a method for producing a steering shaft and a steering column for a motor vehicle such as a steering shaft part for a steering shaft for a motor vehicle, a steering shaft and a steering column for a motor vehicle are also the subject of the invention.
- a steering system of a motor vehicle has for the transmission of a steering torque, for example a steering command entered manually into a steering wheel, for connection to the steering gear on a steering shaft.
- the steering shaft is usually formed from rotatably mitei nander coupled steering shaft parts. These are to adapt to the spatial conditions, to compensate for displacements in the event of a crash and to adjust the steering wheel position in the longitudinal direction, ie in the direction of their longitudinal axis telescopically relative to each other, and can be articulated to compensate for angular misalignment on the rear steering shaft part in relation to the direction of travel , mostly on the steering spindle mounted in the steering column, the steering wheel is set at its rear end facing the driver's position.
- a generic steering shaft part can be designed continuously as a hollow shaft, which extends in a longitudinal direction determined by its longitudinal axis and can be designed, for example, as a hollow cylinder or with a polygonal hollow cross-section, or at least have a steering shaft section extending from an end face, which is similarly designed as a tubular or hollow shaft section can be formed.
- an end section which extends as a section of said steering shaft section from the end in the longitudinal direction, is designed as a connecting section, which also as a coupling section referred to as.
- suitable fastening means for example form-locking elements, clamping sections or the like
- the steering shaft can be thinner-walled, which has the advantage that mass can be saved, and yet sufficient torsional rigidity is ensured.
- a method for producing a steering shaft part of a steering shaft for a motor vehicle which has a tubular steering shaft section extending from an end face in a longitudinal direction, which has a connecting section in an end section extending from the end face over a part of the steering shaft section, which has at least Over part of its length a wall thickness enlargement has a wall thickness enlargement compared to a section of the steering shaft part adjoining the connecting section, comprising the steps
- the enlargement of the wall thickness be produced by plastic deformation of the end section of the pipe section by wobble upsetting.
- a pipe section which preferably has a given, uniformly continuous wall thickness (wall thickness), for example by cutting to length from a continuous semi-finished pipe product, before given to steel.
- wall thickness wall thickness
- the wall thickness (wall thickness) in a connecting section is increased in relation to the wall thickness (wall thickness) of the undeformed starting material on this pipe section exclusively by plastic deformation, which results in an increase in wall thickness in sections in the longitudinal direction, which can also be referred to as wall thickening.
- This deformation takes place without cutting and essentially preserving the volume by flowing the material of the Rohrab section under high deformation pressure, for example by cold extrusion.
- the wall thickness is increased exclusively by plastic deformation of the Rohrab section by tumbling.
- the one-piece construction of the enlargement of the wall thickness according to the invention has the further advantage that there are no joints that are unavoidable in the prior art due to the additionally inserted material.
- the rigidity and load-bearing capacity of the connecting section can be increased in an advantageous manner.
- Another advantage of the purely plastic deformation according to the invention is that an uninterrupted microstructure can be formed in the area of the increase in wall thickness, whereby the strength and toughness of the material in the connecting section can be increased. This makes it possible to make the connection section more compact without any safety restrictions, and to reduce the wall thickness of the steering shaft section in order to save material and mass.
- the wobble used according to the invention to generate the increase in wall thickness enables specific advantages in the manufacture of a steering shaft part.
- a plastic deformation of a tubular component by simply upsetting it in the longitudinal direction can lead to a deformation and flow of the material that is difficult to control, especially with a relatively thin wall thickness (wall thickness) of the tubular starting material. This can lead to structural disturbances and, in the case of large deformation ratios, to the formation of cracks or the like, so that use for the production of highly safety-relevant steering components is expensive and unsuitable.
- the wobble die is rolled several times over the circumference on the face of the Rohrab section in press contact in one operation, and at the same time the wobble die is pressed with the forming force in the longitudinal direction against the face.
- the tube wall is rolled around the face over the circumference and the material is plastically displaced in the rolling direction.
- This dynamic application of the forming force ensures a controlled flow of the Material in the pipe wall in the circumferential direction as well as in the longitudinal direction and in the radial direction Rich causes.
- the advantage here is that structural disturbances, crack formation and the like can be reliably avoided, largely independently of the deformation ratio.
- the increase in wall thickness corresponds to an increase in the local wall thickness (wall thickness) measured in the radial direction, i.e. the wall thickness.
- the inventive tumble upsetting shortens an axial length of the undeformed pipe section and thereby plastically converts it into a greater radial wall thickness.
- the axial length of the wall thickness enlargement is greater than the wall thickness in the undeformed state.
- the upset pipe section plastically deformed by the tumble upsetting with the increased wall thickness is thus longer than is possible by a simple bending deformation, as could be produced by flanging or the like.
- the advantage of the greater axial length of the wall thickness enlargement is that a better connection with an element attached to the steering shaft section, for example a steering wheel, a coupling, an intermediate shaft or the like, is made possible and provides greater rigidity.
- an advantageous development can provide that the axial length of the wall thickness enlargement is greater than the enlarged wall thickness in the area of the wall thickness enlargement.
- the tumble upsetting can preferably be carried out in one operation which comprises a multiple tumbling movement in combination with a working stroke in the longitudinal direction.
- the working stroke corresponds to the compression path, that is to say the distance in the longitudinal direction by which the pipe section is compressed or shortened during forming to produce the thickened connecting section.
- the increase in wall thickness can be realized in an advantageous manner on a relatively thin-walled pipe section thanks to the method according to the invention.
- the increase in wall thickness is preferably between 5% and 50% of the original wall thickness (material thickness), particularly preferably between 10% and 30%.
- material thickness preferably between 10% and 30%.
- the steering shaft part is formed from a metallic material, for example from a steel, in particular a high-strength, low-alloy steel.
- the steering shaft part is formed from a light metal alloy, such as an aluminum alloy.
- a plastic increase in the wall thickness of a pipe section can be realized in a connecting section, the outer diameter of the pipe section and the connecting section being the same, at least essentially the same, after the increase in the wall thickness is formed.
- the material of the pipe section is plastically displaced axially, i.e. in the longitudinal direction and at the same time radially inwards.
- a tumble die rotating about an axis inclined to the longitudinal direction can advantageously be pressed against the end face in a cyclic rolling motion, with the material flowing in the circumferential direction, in the longitudinal direction and in the radial direction.
- the wobble die is preferably designed rotationally symmetrical and has an end face stamp or pressing surface which is pressed against the end face of the pipe section for deformation. Because the wobble stamp is inclined against the longitudinal direction, ie the longitudinal axis of the pipe section, the stamp surface rests only over part of the circumference in a press contact against the end face of the pipe section.
- the inclined wobble axis runs for the wobble movement of the wobble die along a conical jacket which is coaxial to the longitudinal axis and which conically converges towards the end face of the pipe section.
- the punch surface is rolled once over the entire circumference over the end face of the pipe section in press contact in the circumferential direction.
- the wobble die is loaded in the longitudinal direction by the axial upsetting force during a plurality of circular tumbling movements and moved around the upsetting path, with successive, even deformation taking place in the manner described above in the successive tumbling movements.
- the pipe section is received in a die assembly during wobble upsetting, which has a die sleeve surrounding at least the end section of the pipe section with an opening at the end and a die mandrel immersing in the pipe section, the pipe section being received between the die mandrel and the die sleeve and an annular space corresponding to the wall thickening is provided between the die mandrel and the die sleeve.
- This annulus extends lengthways from the opening.
- the die sleeve synonymous briefly referred to as sleeve, and the coaxially arranged die mandrel, or mandrel for short, limit the hollow cylindrical mold cavity, the so-called cavity, which has the contour of the fer term steering shaft part.
- a pipe section is received with little play between the sleeve and the mandrel, so that the pipe wall is supported in the radial direction.
- the outer cross section of the dome is reduced or the inner cross section of the sleeve is enlarged so that the annular space that remains free there has a larger radial dimension.
- the enlarged annulus corresponds to the dimensions of the enlargement of the wall thickness.
- the pipe section is inserted between the mandrel and the sleeve. Then a wobble die is set in wobbling motion and inserted in a working stroke in the longitudinal direction through the front opening of the Ge countersunk sleeve and pressed against the front side of the end portion of the pipe section received in the area of the enlarged annular space. Due to the plastic roll deformation applied due to the tumbling movement, the wall is compressed in the end area, and the material flows in the longitudinal, radial and circumferential directions until the enlarged annulus of the die is completely and evenly filled. In this way, the wall thickening is produced solely by plastic deformation of the wall of the pipe section.
- the wobble die can be withdrawn against the working stroke, and the steering shaft part with the connecting section can be removed from the die.
- the high strength and the uniform structure of the wall thickening which can be realized by the method according to the invention in the above-described die arrangement, are advantageous. Larger dimensions of the connecting section in the longitudinal direction can also be produced in one operation.
- An advantageous embodiment can provide for the die mandrel to be lowered in the longitudinal direction relative to the die sleeve, as seen from the end face, during wobble upsetting.
- provision can be made for the mandrel to be mounted in the sleeve such that it can move in the direction of the working stroke, and is preferably supported in the longitudinal direction in a resilient manner relative to the sleeve. When it is pressed against the end face, it compresses the pipe section and, in doing so, lies against the mandrel at the end face.
- the wobble die moves the mandrel in the direction of the working stroke by the amount of the shortening of the pipe section, so that the plastically compressed end section is completely within the mold cavity closed by the mandrel, sleeve and wobble die during the entire forming process.
- a form-fit element can be integrally formed with the material thickening of the wall thickness enlargement on the connecting section, which for example can have projections, depressions, one or more threads or the like formed on the inside and / or outside, one or more threads or the like, such as a toothing for example rotationally locking connection of the steering shaft with a steering component such as a joint, a gear, an auxiliary power drive, a steering wheel or the like.
- the advantage of the tumble-upsetting according to the invention is that even more complex shapes of connecting means or the like can be manufactured efficiently, precisely and highly stressable and in one operation.
- the above-described mandrel and / or the sleeve can have negative contours which correspond to the form-locking elements to be formed in the connecting section.
- the pipe section and / or the connection section can have a round cross section or a non-round cross section.
- the pipe section can be designed as a hollow cylinder, and so can the connecting section.
- a non-round or polygonal cross-section can be implemented in the connecting section, for example by using a prismatic on the outside, at least in sections. shaped die.
- the inside of the die sleeve can have an at least partially non-circular or polygonal cross-section in order to produce a corresponding outer cross-section of the connecting section.
- an internal thread is brought into this end section and / or an external thread is applied.
- the end section can be connected to a steering wheel by means of a fastening means such as a screw or a nut. Thanks to the invention, the thread can be introduced directly into the Ma material of the end section of the steering shaft part, and it is not necessary, as in the prior art, to work a separate sleeve into the end section.
- the end section in a further advantageous development, it is possible for the end section to have external form-fitting elements which are formed in the end section by the method according to the invention, the end section additionally being provided with an internal thread.
- a steering wheel with a hub which has an internal form-locking element corresponding to the outer form-locking element of the end section, can be coupled with the steering shaft part in a torque-locking manner, a fastening means in the form of a screw being brought into operative engagement with the internal thread of the end section and thus the Steering wheel fixed on the steering shaft part.
- An advantageous method for producing a steering shaft for a motor vehicle in which at least two steering shaft parts are provided and rotationally connected to one another, provides according to the invention that at least one of the steering shaft parts is produced by a method according to one or more of the embodiments described above, and with at least one further steering shaft part is connected.
- Further steering shaft parts can include, for example, steering shaft components, such as, for example, a further steering shaft section, a joint, a transmission, an auxiliary power drive, a steering wheel or the like.
- the Lenkwel lenmaschine can be provided efficiently and with advantageous properties, which is also advantageous for a steering shaft formed therefrom. For example, higher strength and thus higher rigidity with smaller dimensions of the steering shaft parts can be achieved by the wobble upsetting, so that a lower weight and / or a smaller construction size of the steering shaft can be realized.
- an advantageous method for producing a steering column for a motor vehicle in which at least two steering shaft parts are provided and connected to one another in a rotationally locked manner
- at least one of the steering shaft parts of the steering shaft is manufactured by a method according to one or more of the above-described embodiments, and the steering shaft is mounted rotatably about the longitudinal axis in a casing unit.
- the inventive method, the Lenkwel lenmaschine and a steering shaft formed therefrom can be made available efficiently and with advantageous properties, which is also advantageous for a steering column having them. For example, a higher strength and thus a higher stiffness can be achieved with smaller dimensions of the steering shaft parts, so that a gerin geres weight and / or a smaller size of the steering column can be realized by the wobble upsetting.
- a steering shaft part for a steering shaft for a motor vehicle which has a hollow shaft, which at least at one end section has a connecting section which, at least over part of its length, has a wall thickness enlargement compared to a section of the hollow shaft adjoining the connecting section, is provided according to the invention that the enlargement of the wall thickness is formed in one piece with the hollow shaft exclusively by plastic deformation of the material in the end section by wobble upsetting according to one of the methods described above.
- the hollow shaft is formed by a tubular steering shaft section which is produced according to the method according to the invention.
- a relatively large deformation ratio can be generated by the wobble upsetting, and the optimized deformation enables an optimized microstructure and a higher strength of the connecting section to be achieved.
- a steering shaft part according to the invention can, for example, comprise a steering shaft component, such as, for example, a further steering shaft section, a joint, a transmission, an auxiliary power drive, a steering wheel or the like, or be designed as part of such.
- a steering shaft component such as, for example, a further steering shaft section, a joint, a transmission, an auxiliary power drive, a steering wheel or the like, or be designed as part of such.
- a steering shaft according to the invention, it is preferably provided that at least two steering shaft parts are connected to one another in a rotationally locked manner.
- the described advantageous properties and effects can already be achieved in that at least one of the steering shaft parts is designed according to the invention.
- the invention provides that at least one of the steering shaft parts of the steering shaft is produced by a method according to one or more of the embodiments described above.
- the described before parts of the steering shaft according to the invention can also be used for a steering column.
- the steering shaft part of the steering shaft is produced by a method according to one or more of the embodiments described above.
- the described advantages of the steering shaft according to the invention can thereby also be used for a steering column.
- At least one steering shaft part can be mounted rotatably about the longitudinal axis in a jacket unit of the steering column designed for connection to a motor vehicle body.
- a steering spindle can be designed according to the invention.
- the connecting section can be set up and designed to attach a steering wheel or another steering component, for example a joint for connecting the steering spindle to an intermediate shaft.
- Figure 1 is a schematic perspective view of a steering shaft
- FIG. 2 a longitudinal section through a pipe section
- Figure 3 is a longitudinal section through a tubular steering shaft section according to the invention
- FIG. 4 shows a die arrangement and a wobble die for producing a steering shaft section according to the invention according to FIG. 3,
- FIG. 5 shows the arrangement according to FIG. 4 in a partially exploded view
- FIG. 6 shows a longitudinal section through the arrangement according to FIG. 4,
- FIG. 7 shows a detailed view of the longitudinal section according to FIG. 6 before the tumble upsetting according to the invention is carried out,
- FIG. 8 shows a detailed view of the longitudinal section as in FIG. 7 during the tumble-upsetting according to the invention
- FIG. 9 shows a detailed view of the longitudinal section as in FIG. 8 after the tumble-upsetting according to the invention has been carried out.
- FIG. 1 shows a steering shaft 1 designed according to the invention in a schematic perspective view.
- This comprises a steering spindle 11 which extends in the direction of a longitudinal axis L and which is connected via a first universal joint 12 to an intermediate shaft 13 which is connected to a further universal joint 14.
- the steering spindle 11 comprises a steering shaft part 10 designed as a hollow shaft, into which an inner shaft 3 extends telescopically in the direction of the longitudinal axis L on the steering shaft side, as indicated by the double arrow.
- the inner shaft 3 has a non-circular outer cross-section, which can have a polygonal or cloverleaf-shaped profile, for example, and immerses in a known manner in a section of the steering shaft part 10 that has a form-fitting cross-section with respect to rotation about the longitudinal axis L.
- the steering shaft part 10 has a tubular steering shaft section 2, which is hollow cylindrical in the example shown.
- this tubular steering shaft section 2 has a connecting section 21.
- the connecting section 21 has a wall thickness enlargement 22, also referred to as a wall thickening, with a wall thickness D.
- the wall is thinner with a wall thickness d the following applies: d ⁇ D.
- the wall thickness enlargement 22 has an axial length L3. This length L3 is greater than the wall thickness d in the undeformed state.
- the rigidity can be increased by the fact that As in the exemplary embodiment shown in FIG. 3, the length L3 of the wall thickness enlargement 22 is greater than the wall thickness D in the area of the wall thickness enlargement 22.
- FIG. 2 shows, in the same sectional view as FIG. 3, a pipe section 4 which is used as starting material or sheet metal for making a Lenkwellenab section 2 according to the invention.
- the pipe section 4 has a uniformly continuous wall thickness d and is cut to length, for example, from a continuous steel pipe material.
- An axial end face 41 is located at its free end.
- the wall thickness enlargement 22 has been produced in one piece by the inventive wobble upsetting of the pipe section 4 by the upsetting path s, therefore the steering shaft part 2 is shorter in the longitudinal direction by this upsetting path s than the pipe section 4, as indicated in Figure 3 in comparison with Figure 2.
- the pipe section has a length L1 measured in the direction of the longitudinal axis L and the steering shaft part 2 has a length L2 measured in the direction of the longitudinal axis L, the compression path s resulting from the difference between the length L1 and the length L2.
- the compression path s is measured between the end face 41 of the pipe material 4, which is identical to the end face 41 of the steering shaft section 2.
- the original length of the pipe section 4 is indicated schematically with the dashed line.
- a device for carrying out the method according to the invention is shown in a perspective view in Figure 4, in longitudinal section in Figure 6, and in Figure 5 in an exploded view in the longitudinal direction.
- the device comprises a wobble die 5 and a die arrangement 6.
- the die arrangement 6 has an open die sleeve 61 with an opening 610 on the end face and a die mandrel 62 arranged coaxially therein.
- the die sleeve 61 is fixedly mounted on its base side facing away from the opening 610 on a base 63 on which the die mandrel 62 is supported elastically movable in the longitudinal direction by a spring element 64, as indicated by the arrow in FIG.
- the die mandrel 62 is also referred to as mandrel 62 for short and the die sleeve 61 is also referred to as sleeve 61 for short.
- the inner cross-section of the die sleeve 61 and the outer cross-section of the die mandrel 62 are dimensioned such that the radial distance in the formed annular gap corresponds approximately to the wall thickness d, so that the pipe section 4 can be accommodated therein coaxially with little play, as in Figures 6 to 9 is recognizable. From the enlarged sectional views of Figures 7, 8, 9 it can be seen that the mandrel 62 has a partially reduced cross-section in its end region facing the opening 610, so that a larger radial distance D remains between the mandrel 62 and the sleeve 61, that of the enlarged wall thickness D corresponds to the enlargement of the wall thickness 22. This forms a mold cavity 65 with an enlarged cross section.
- a pipe section 4 is inserted into the die assembly between the sleeve 62 and the mandrel 61, as shown in FIG. With its wall thickness d, the pipe section 4 essentially fills the space between the mandrel 61 and the sleeve 62 outside the mold cavity 65, while the mold cavity 65 is not completely filled with the material of the pipe section 4.
- the wobble die 5 is set in a wobbling movement, in which the axis T (wobble axis) of the wobble die 5, which is inclined against the longitudinal axis L, orbits the longitudinal axis L along a conical shell that converges in the longitudinal direction towards the die assembly 6, as in Figure 4 and 5 is shown.
- the wobble die 5 is inserted in the longitudinal direction through the opening 610 into the sleeve 62 and is pressed against the end face with a forming or upsetting force F against the counter-sinking mandrel 61, i.e. downwards in FIG.
- the resiliently supported mandrel 61 gives way downward until the wobble die 5 makes contact with the end face 41 of the pipe section 4 in a press contact K.
- the press contact K extends only over a small partial circumferential area of the end face 41 of the pipe section 4.
- the press contact K runs cyclically in the circumferential direction over the string side 41.
- the wobble die 5 is pressed against the end face 41 with the upsetting force F ge, whereby the pipe section 4 is upset in the longitudinal direction.
- the mandrel 61 is moved along by the upsetting force F and pushed downwards so that the upsetting force F continues to be applied in the press contact K.
- the material flows in the circumferential direction and at the same time in the longitudinal and radial directions.
- the wobble die 5 is moved in a working stroke by the force F by the compression path s in the longitudinal direction.
- the material is further plastically deformed until the entire mold cavity 65 is filled, as shown in FIG.
- a one-piece enlargement of the wall thickness 22 has been formed, so that a steering shaft part 2 is formed.
- the finished steering shaft section 2 can be removed from the die assembly 6. This can be done, for example, by a pure longitudinal movement or by a superimposed longitudinal and rotational movement, with which a thread formed in the end section by the method according to the invention can also be demolded.
- the inner shaft 3 it is also conceivable and possible for the inner shaft 3 to have a steering shaft section 31 for the rotationally locking connection with the joint 12, which according to the invention can be constructed and manufactured in the same way as the steering shaft section 2.
- the intermediate shaft 13 can also be designed similarly to the steering spindle 11.
Landscapes
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lenkwellenteils (10) einer Lenkwelle (1) für ein Kraftfahrzeug, welches einen sich von einer Stirnseite (41) in einer Längsrichtung erstreckenden rohrförmigen Lenkwellenabschnitt (2) aufweist, der in einem sich von der Stirnseite (41) über einen Teilabschnitt des Lenkwellenabschnitts (2) erstreckenden Endabschnitt einen Verbindungsabschnitt (21) aufweist, der zumindest über einen Teil seiner Länge eine gegenüber einem sich an den Verbindungsabschnitt (21) anschließenden Abschnitt des Lenkwellenteils (10) eine Wandstärkenvergrößerung (22) aufweist, umfassend die Schritte - Bereitstellen eines Rohrabschnitts (4), - Erzeugen einer Wandstärkenvergrößerung (22) durch zumindest abschnittweise Umformung in dem sich von der Stirnseite (41) erstreckenden Endabschnitt zur Ausbildung des Verbindungsabschnitts (21). Um die Bereitstellung eines Lenkwellenteils (10) sowie einer daraus aufgebauten Lenkwelle (1) und einer Lenksäule mit geringerem Aufwand bei hoher Sicherheit zu ermöglichen schlägt die Erfindung vor, dass das Erzeugen der Wandstärkenvergrößerung (22) durch plastische Umformung des Endabschnitts des Rohrabschnitts (4) durch Taumelstauchen erfolgt.
Description
Verfahren zur Herstellung eines Lenkwellenteils einer Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug, Ver fahren zur Herstellung einer Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug, Lenkwellenteil für eine Lenk welle für ein Kraftfahrzeug, Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug und Lenksäule für ein Kraftfahrzeug
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lenkwellenteils einer Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug, welches einen sich von einer Stirnseite in einer Längsrichtung erstrecken den rohrförmigen Lenkwellenabschnitt aufweist, der in einem sich von der Stirnseite über ei nen Teilabschnitt des Lenkwellenabschnitts erstreckenden Endabschnitt einen Verbindungs abschnitt aufweist, der zumindest über einen Teil seiner Länge eine gegenüber einem sich an den Verbindungsabschnitt anschließenden Abschnitt des Lenkwellenteils eine Wandstär kenvergrößerung aufweist, umfassend die Schritte
- Bereitstellen eines Rohrabschnitts,
- Erzeugen einer Wandstärkenvergrößerung durch zumindest abschnittweise Umformung in dem sich von der Stirnseite erstreckenden Endabschnitt zur Ausbildung des Verbindungsabschnitts.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Lenkwelle und einer Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, so wie ein Lenkwellenteil für eine Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug, eine Lenkwelle und eine Lenksäule für ein Kraftfahrzeug sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
Ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs weist zur Übertragung eines Lenkmoments, beispiels weise eines manuell in ein Lenkrad eingegebenen Lenkbefehls, zur Verbindung mit dem Lenkgetriebe eine Lenkwelle auf. Die Lenkwelle ist üblicherweise aus drehschlüssig mitei nander gekuppelten Lenkwellenteilen gebildet. Diese sind zur Anpassung an die räumlichen Gegebenheiten, zum Ausgleich von Veschiebungen im Crashfall und zur Einstellung der Lenkradposition in Längsrichtung, d.h. in Richtung ihrer Längsachse teleskopartig relativ zu einander verstellbar, und können zum Ausgleich von Winkelversatz gelenkig verbunden sein Am bezogen auf die Fahrtrichtung hinteren Lenkwellenteil, zumeist an der in der Lenksäule gelagerten Lenkspindel, ist an dessen hinterem, der Fahrerposition zugewandten Endab schnitt das Lenkrad festgelegt.
Ein gattungsgemäßes Lenkwellenteil kann durchgehend als Hohlwelle ausgebildet sein, die sich in einer durch ihre Längsachse bestimmten Längsrichtung erstreckt und beispielsweise hohlzylindrisch oder mit polygonalem Hohlquerschnitt ausgebildet sein kann, oder zumindest einen sich von einer endseitigen Stirnseite erstreckenden Lenkwellenabschnitt aufweisen, der in ähnlicher Weise als Rohr- oder Hohlwellenabschnitt ausgebildet sein kann. Zur Festle gung des Lenkrads, oder zum drehmomentschlüssigen Anschluss an weitere Lenkungskom ponenten wie Gelenke, Getriebe, Hilfskraftantriebe oder dergleichen, ist ein Endabschnitt, der sich als Teilabschnitt des besagten Lenkwellenabschnitts von der Stirnseite in Längsrich tung erstreckt, als Verbindungsabschnitt ausgestaltet, der auch als Koppelabschnitt bezeich net wird.
Um geeignete Befestigungsmittel realisieren zu können, beispielsweise Formschlussele mente, Spannabschnitte oder dergleichen, ist es bekannt, in dem Verbindungsabschnitt zu mindest abschnittweise eine Wandstärkenvergrößerung vorzusehen, die einen Bereich mit einer Wandstärke (Wanddicke) umfasst, die größer ist als im Längenbereich der übrigen Lenkwelle oder des Lenkwellenabschnitts. Außerhalb des Verbindungsabschnitts kann die Lenkwelle dünnwandiger sein, was den Vorteil hat, dass Masse eingespart werden kann, und dennoch eine hinreichende Torsionssteifigkeit gewährleistet ist.
Zur Erzeugung einer Wandstärkenvergrößerung an einem Lenkwellenteil ist es beispiels weise aus der WO 2007/098513 A1 oder der DE 10 2016214 163 A1 bekannt, in einen rela tiv dünnwandigen Rohrabschnitt endseitig eine zusätzliche Hülse einzusetzen und durch ge meinsames Umformen unlösbar im Verbindungsabschnitt zu fixieren, beispielsweise form- und kraftschlüssig mittels Kaltumformverfahren wie Hämmern oder Kneten. Vorteilhaft dabei ist, dass durch die Addition der Wandstärken (Wanddicken) von Rohrabschnitt und Hülse eine ausreichende Wandstärkenvergrößerung erzeugt werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass die Hülse separat vorgefertigt und in einem weiteren Fertigungsschritt wegen der hohen Sicherheitsanforderungen sicher fixiert werden muss, was zu einem relativ hohen Ferti gungsaufwand führt.
Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bereitstellung eines Lenkwellenteils sowie einer daraus aufgebauten Lenk welle und einer Lenksäule mit geringerem Aufwand bei hoher Sicherheit zu ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 , das Verfahren gemäß Anspruch 7, das Verfahren gemäß Anspruch 8, sowie das Lenkwellenteil mit den Merkmalen des Anspruchs 9, die Lenkwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 10, und die Lenksäule mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Weiterbildungen erge ben sich aus den Unteransprüchen.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Lenkwellenteils einer Lenkwelle für ein Kraftfahr zeug, welches einen sich von einer Stirnseite in einer Längsrichtung erstreckenden rohrför migen Lenkwellenabschnitt aufweist, der in einem sich von der Stirnseite über einen Teilab schnitt des Lenkwellenabschnitts erstreckenden Endabschnitt einen Verbindungsabschnitt aufweist, der zumindest über einen Teil seiner Länge eine gegenüber einem sich an den Verbindungsabschnitt anschließenden Abschnitt des Lenkwellenteils eine Wandstärkenver größerung aufweist, umfassend die Schritte
- Bereitstellen eines Rohrabschnitts,
- Erzeugen einer Wandstärkenvergrößerung durch zumindest abschnittweise Umformung in dem sich von der Stirnseite erstreckenden Endabschnitt zur Ausbildung des Verbindungsabschnitts, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Erzeugen der Wandstärkenvergrößerung durch plastische Umformung des Endab schnitts des Rohrabschnitts durch Taumelstauchen erfolgt.
Als Ausgangsmaterial bei der Herstellung des Lenkwellenabschnitts wird ein Rohrabschnitt bereitgestellt, der bevorzugt eine gegebene, gleichmäßig durchgehende Wandstärke (Wand dicke) hat, beispielsweise durch Ablängen von einem durchgehenden Rohr-Halbzeug, bevor zugt aus Stahl. Erfindungsgemäß wird an diesem Rohrabschnitt ausschließlich durch plasti sche Umformung die Wandstärke (Wanddicke) in einem Verbindungsabschnitt relativ zur Wandstärke (Wanddicke) des unverformten Ausgangsmaterials vergrößert, wodurch eine in Längsrichtung abschnittweise Wandstärkenvergrößerung, die gleichbedeutend auch als Wandungsverdickung bezeichnet werden kann, erzeugt wir. Diese Umformung erfolgt span los und im wesentlichen volumenerhaltend durch ein Fließen des Materials des Rohrab schnitts unter hohem Umformdruck, beispielsweise durch Kaltfließpressen. Bevorzugt erfolgt die Wandstärkenvergrößerung ausschließlich durch plastische Umformung des Rohrab schnitts durch Taumelstauchen.
Erfindungsgemäß ist für die Erzeugung des Verbindungsabschnitts im Gegensatz zum Stand der Technik kein zusätzliches Material erforderlich. Daraus resultiert der Vorteil, dass keine
Hülse oder dergleichen wie im Stand der Technik separat produziert und montiert werden muss, so dass der Fertigungsaufwand in vorteilhafter Weise verringert werden kann.
Die erfindungsgemäß einstückige Ausbildung der Wandstärkenvergrößerung hat den weite ren Vorteil, dass keine Fügestellen auftreten, die im Stand der Technik durch das zusätzlich eingefügte Material unvermeidlich sind. Dadurch kann erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise die Steifigkeit und Belastbarkeit des Verbindungsabschnitts erhöht werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß rein plastischen Umformung ist, dass im Bereich der Wandstärkenvergrößerung eine unterbrechungsfreie Gefügestruktur ausgebildet werden kann, wodurch die Festigkeit und Zähigkeit des Materials im Verbindungsabschnitt erhöht werden kann. Dadurch ist es möglich, den Verbindungsabschnitt ohne Sicherheitseinschrän kungen kompakter zu gestalten, und die Wandstärke des Lenkwellenabschnitts zu reduzie ren, um Material und Masse einzusparen.
Das erfindungsgemäß zur Erzeugung der Wandstärkenvergrößerung eingesetzte Taumel stauchen ermöglich spezifische Vorteile bei der Herstellung eines Lenkwellenteils. Eine plas tische Umformung eines rohrförmigen Bauteils durch einfaches Stauchen in Längsrichtung kann zu einem schwierig zu kontrollierenden Verformen und Fließen des Materials führen, insbesondere bei relativ dünner Wandstärke (Wanddicke) des rohrförmigen Ausgangsmateri als. Dies kann zu Gefügestörungen, und bei großen Umformverhältnissen zu Rissbildung o- der dergleichen führen, so dass ein Einsatz zur Herstellung hoch sicherheitsrelevanter Len kungskomponenten aufwendig und wenig geeignet ist.
Die vorgenannten Nachteile können durch das erfindungsgemäß eingesetzte Taumelstau chen gelöst werden. Dabei wird anstelle einer gleichzeitig auf den gesamten Rohrquerschnitt ausgeübten axialen Stauchkraft mittels eines bezüglich der Längsachse schräg angeordne ten Taumelwerkzeugs, nämlich eines Taumelstempels ein partieller Presskontakt erzeugt, der sich nur über einen Teil des Umfangs der ringförmigen Stirnseite des Rohrabschnitts er streckt. Die Taumelbewegung des Taumelstempels wird durch eine zyklische, kreisend um laufende Bewegung der Stempelachse entlang eines in Längsrichtung zusammenlaufenden Kegelmantels erzeugt. Durch das Taumeln wird der Taumelstempel im Presskontakt in ei nem Arbeitsgang mehrfach über den Umfang umlaufend auf der Stirnseite des Rohrab schnitts abgewälzt, und gleichzeitig wird der Taumelstempel mit der Umformkraft in Längs richtung gegen die Stirnseite angepresst. Die Rohrwand wird dabei stirnseitig über den Um fang umlaufend gewalzt und dabei wird das Material in der Walzrichtung plastisch verdrängt. Durch diese dynamische Einbringung der Umformkraft wird ein kontrolliertes Fließen des
Materials in der Rohrwandung in Umfangsrichtung sowie in Längsrichtung und in Radialrich tung bewirkt. Der Vorteil dabei ist, dass Gefügestörungen, Rissbildung und dergleichen zu verlässig vermieden werden können, und zwar weitgehend unabhängig vom Umformverhält- nis.
Die Wandstärkenvergrößerung entspricht einer Vergrößerung der lokalen Wandstärke (Wanddicke) gemessen in radialer Richtung, also der Wanddicke, Durch das erfindungsge mäße Taumelstauchen wird eine axiale Länge des unverformten Rohrabschnitts verkürzt und dabei plastisch umgewandelt in eine größere radiale Wandstärke.
Es ist vorteilhaft, dass die axiale Länge der Wandstärkenvergrößerung größer ist als die Wanddicke in unverformtem Zustand. Der durch das Taumelstauchen plastisch umgeformte, gestauchte Rohrabschnitt mit der vergrößerten Wanddicke ist somit länger, als dies durch eine einfache Biegeumformung, wie sie durch Umbördeln oder dergleichen erzeugt werden könnte. Der Vorteil der größeren axialen Länge der Wandstärkenvergrößerung ist, dass eine bessere Verbindung mit einem an dem Lenkwellenabschnitt angebrachten Element, bei spielsweise einem Lenkrad, einer Kupplung, einer Zwischenwelle oder dergleichen, ermög licht und für eine höhere Steifigkeit sorgt.
Insbesondere kann eine vorteilhafte Weiterbildung vorsehen, dass die axiale Länge der Wandstärkenvergrößerung größer ist als die vergrößerte Wanddicke im Bereich der Wand stärkenvergrößerung. Dadurch wird eine vorteilhaft höhere Steifigkeit erreicht, wenn ein Ele ment von außen im Bereich der Wandstärkenvergrößerung auf dem Lenkwellenabschnitt verspannt wird.
Bevorzugt kann das Taumelstauchen in einem Arbeitsgang durchgeführt werden, der eine mehrfache Taumelbewegung in Kombination mit einem Arbeitshub in Längsrichtung umfasst. Der Arbeitshub entspricht dem Stauchweg, also der Strecke in Längsrichtung, um die der Rohrabschnitt beim Umformen zur Erzeugung des verdickten Verbindungsabschnitts ge staucht bzw. verkürzt wird. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass in einem einzigen Arbeitshub ein zur Erzeugung der Wandstärkenvergrößerung ausreichendes Um formverhältnis realisiert werden kann. Dies ermöglicht eine rationelle Fertigung.
Mit dem Taumelstauchen wird somit erstmals ein beherrschbarer und rationeller Fertigungs prozess speziell für Lenkwellenteile zur Verfügung gestellt, der es in vorteilhafter Weise er möglicht, in einem Arbeitsgang durch kombiniertes Taumeln und Stauchen eine Wandstär kenvergrößerung rationell und mit optimierten Materialeigenschaften zu erzeugen. Dadurch
kann in vorteilhafter Weise ein haltbarer und hoch belastbarer Verbindungsabschnitt an dem Lenkwellenteil zur Verfügung gestellt werden. Durch das Taumelstauchen sind gleicherma ßen optimierte Materialeigenschaften und eine flexible Formgebung realisierbar, die im Stand der Technik nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand möglich sind.
Die Wandstärkenvergrößerung kann dank des erfindungsgemäßen Verfahrens in vorteilhaf ter Weise an einem relativ dünnwandigen Rohrabschnitt realisiert werden.
Bevorzugt beträgt die Wandstärkenvergrößerung zwischen 5% und 50% der ursprünglichen Wandstärke (Materialdicke), besonders bevorzugt zwischen 10% und 30%. Beispielsweise kann eine Wandstärkenvergrößerung des Rohrabschnitts von 2mm vor dem Taumelstau chen auf 2,5mm nach dem Taumelstauchen erfolgen, wobei der Rohrabschnitt einen Außen durchmesser von beispielsweise von 30mm aufweist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Lenkwellenteil aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus einem Stahl gebildet, insbesondere einem hochfesten niedriglegierten Stahl. Alternativ ist es denkbar und möglich, dass das Lenkwellenteil aus einer Leichtmetall legierung gebildet ist, wie beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung.
Mit Vorteil kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Verbindungsabschnitt eine plastische Wandstärkenvergrößerung an einem Rohrabschnitt realisiert werden, wobei der Außendurchmesser des Rohrabschnitts und des Verbindungsabschnitts nach der Ausbildung der Wandstärkenvergrößerung gleich sind, zumindest im Wesentlichen gleich sind. Durch das Taumelstauchen wird das Material des Rohrabschnitts dabei axial, d.h. in Längsrichtung und gleichzeitig radial nach innen plastisch verdrängt. Alternativ oder zusätzlich ist es denk bar und möglich, den Außendurchmesser des Rohrabschnitts im Bereich der Wandstär kenvergrößerung erfindungsgemäß durch Taumelstauchen zu vergrößern.
Mit Vorteil kann bei dem Taumelstauchen ein um eine gegen die Längsrichtung geneigte Achse (Taumelachse) kreisender Taumelstempel in einer zyklisch umlaufenden Walzbewe gung gegen die Stirnseite angepresst werden, wobei das Material in Umfangsrichtung, in Längsrichtung und in Radialrichtung fließt. Der Taumelstempel ist bevorzugt rotationsymmet risch ausgebildet und weist eine stirnseitige Stempel- oder Pressfläche auf, die zur Umfor mung gegen die Stirnseite des Rohrabschnitts angepresst wird. Dadurch, dass der Taumel stempel gegen die Längsrichtung, d.h. die Längsachse des Rohrabschnitts geneigt ist, liegt die Stempelfläche jeweils nur über einem Teil des Umfangs in einem Presskontakt gegen die Stirnseite des Rohrabschnitts an. Für die Taumelbewegung läuft die geneigte Taumelachse
des Taumelstempels entlang eines zur Längsachse koaxialen Kegelmantels um, der konisch gegen die Stirnseite des Rohrabschnitts gerichtet zusammenläuft. Bei einem Umlauf wird die Stempelfläche im Presskontakt in Umfangsrichtung einmal über den gesamten Umfang über die Stirnseite des Rohrabschnitts abgewälzt. Dabei wird der Taumelstempel während einer Mehrzahl von kreisenden Taumelbewegungen durch die axiale Stauchkraft in Längsrichtung belastet und um den Stauchweg bewegt, wobei in den aufeinanderfolgenden Taumelbewe gungen eine sukzessive, gleichmäßige Umformung in der oben beschriebenen Weise erfolgt.
Es ist vorteilhaft, dass der Rohrabschnitt beim Taumelstauchen in einer Gesenkanordnung aufgenommen ist, die eine zumindest den Endabschnitt des Rohrabschnitts umschließende Gesenkhülse mit einer stirnseitigen Öffnung aufweist, und einen in den Rohrabschnitt eintau chenden Gesenkdorn aufweist, wobei der Rohrabschnitt zwischen dem Gesenkdorn und der Gesenkhülse aufgenommen ist und zwischen dem Gesenkdorn und der Gesenkhülse ein mit der Wandverdickung korrespondierender Ringraum bereitgestellt ist. Dieser Ringraum er streckt sich in Längsrichtung von der Öffnung. Die Gesenkhülse, gleichgedeutend kurz als Hülse bezeichnet, und der darin koaxial angeordnete Gesenkdorn, oder kurz Dorn, begren zen den hohlzylindrischen Formhohlraum, die sogenannte Kavität, welche die Kontur des fer tigen Lenkwellenteils aufweist. Außerhalb des Verbindungsabschnitts wird ein Rohrabschnitt spielarm zwischen der Hülse und dem Dorn aufgenommen, so dass die Rohrwand in radialer Richtung gestützt wird. In einem in Längsrichtung, axial offenen Endabschnitt der Kavität ist der Außenquerschnitt des Doms verringert, oder der Innenquerschnitt der Hülse vergrößert, so dass der dort freibleibende Ringraum eine größere radiale Abmessung hat. Der vergrö ßerte Ringraum korrespondiert mit den Abmessungen der Wandstärkenvergrößerung.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Rohrabschnitt zwischen dem Dorn und der Hülse eingesetzt. Anschließend wird ein Taumelstempel in Taumelbewegung versetzt und in einem Arbeitshub in Längsrichtung durch die stirnseitige Öffnung der Ge senkhülse eingeführt und gegen die Stirnseite des im Bereich des vergrößerten Ringraums aufgenommenen Endabschnitt des Rohrabschnitts angepresst. Durch die aufgrund der Tau melbewegung aufgebrachte plastische Walzverformung wird die Wandung im Endbereich gestaucht, und das Material fließt in Längs-, Radial- und Umfangsrichtung, bis der vergrö ßerte Ringraum des Gesenks vollständig und gleichmäßig gefüllt ist. Auf diese Weise wird die Wandverdickung allein durch plastische Umformung der Wandung des Rohrabschnitts erzeugt. Nach dem Umformvorgang kann der Taumelstempel entgegen dem Arbeitshub zu rückgezogen werden, und das Lenkwellenteil mit dem Verbindungsabschnitt kann aus dem Gesenk entnommen werden.
Vorteilhaft ist die hohe Festigkeit und das gleichmäßige Gefüge der Wandverdickung, die durch das erfindungsgemäße Verfahren in der vorbeschriebenen Gesenkanordnung reali siert werden können. Dabei können auch größere Abmessungen des Verbindungsabschnitts in Längsrichtung in einem Arbeitsgang erzeugt werden.
Eine vorteilhafte Ausführung kann vorsehen, dass beim Taumelstauchen der Gesenkdorn von der Stirnseite aus gesehen relativ zur Gesenkhülse in Längsrichtung abgesenkt wird. Hierzu kann vorgesehen sein, dass der Dorn in der Hülse in Richtung des Arbeitshubs be wegbar gelagert ist, bevorzugt in Längsrichtung federelastisch relativ zur Hülse abgestützt ist. Beim Anpressen gegen die Stirnseite staucht dieser den Rohrabschnitt, und liegt dabei stirnseitig an dem Dorn an. Dadurch bewegt der Taumelstempel den Dorn in Richtung des Arbeitshubs um den Betrag der Verkürzung des Rohrabschnitts mit, so dass der plastisch gestauchte Endabschnitt sich während des gesamten Umformprozesses vollständig inner halb des durch Dorn, Hülse und Taumelstempel geschlossenen Formhohlraums befindet. Dies hat den Vorteil, dass unkontrollierte Verformungen praktisch ausgeschlossen sind, und eine gleichbleibende hohe Fertigungsqualität gewährleistet ist.
Es ist möglich, dass beim Taumelstauchen mindestens ein Formschlusselement ausgebildet wird. Ein Formschlusselement kann einstückig mit der Materialverdickung der Wandstär kenvergrößerung an dem Verbindungsabschnitt an- oder eingeformt sein, welches beispiels weise innen und/oder außen an- oder eingeformte Vorsprünge, Vertiefungen, ein oder meh rere Gewindegänge oder dergleichen aufweisen kann, wie beispielsweise eine Verzahnung zur drehschlüssigen Verbindung der Lenkwelle mit einer Lenkungskomponente wie einem Gelenk, einem Getriebe, einem Hilfskraftantrieb, einem Lenkrad oder dergleichen. Der Vor teil des erfindungsgemäßen Taumelstauchens ist auch dabei, dass auch komplexere Form gebungen von Anschlussmitteln oder dergleichen rationell, präzise und hoch beanspruchbar und in einem Arbeitsgang gefertigt werden können. Zur praktischen Realisierung können bei spielsweise der vorangehend beschriebene Dorn und/oder die Hülse Negativkonturen auf weisen, die mit den in dem Verbindungsabschnitt auszubildenden Formschlusselementen korrespondieren.
Es ist möglich, dass der Rohrabschnitt und/oder der Verbindungsabschnitt einen runden Querschnitt oder einen unrunden Querschnitt aufweisen. Der Rohrabschnitt kann wie das Lenkwellenteil hohlzylindrisch ausgebildet sein, und der Verbindungsabschnitt ebenfalls. Al ternativ kann ein unrunder oder polygonaler Querschnitt im Verbindungsabschnitt realisiert werden, beispielsweise durch Verwendung eines außen zumindest abschnittweise prismen-
förmigen Gesenkdorns. Alternativ oder zusätzlich kann die Gesenkhülse innen einen zumin dest abschnittweise unrunden oder polygonalen Querschnitt haben, um einen entsprechen den äußeren Querschnitt des Verbindungsabschnitts zu erzeugen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass nach dem Erzeugen der Wandstärkenvergrößerung des Endabschnitts in diesem Endabschnitt ein Innengewinde ein gebracht und/oder ein Außengewinde aufgebracht wird. So ist es beispielsweise möglich, dass der Endabschnitt mittels eines Befestigungsmittels wie eine Schraube oder eine Mutter mit einem Lenkrad verbunden wird. Dank der Erfindung kann das Gewinde direkt in das Ma terial des Endabschnitts des Lenkwellenteils eingebracht werden, und es ist nicht wie im Stand der Technik erforderlich, eine separate Hülse in den Endabschnitt einzuarbeiten.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist es möglich, dass der Endabschnitt außenlie gende Formschlusselemente aufweist, die durch das erfindungsgemäße Verfahren in dem Endabschnitt ausgeformt sind, wobei der Endabschnitt zusätzlich mit einem Innengewinde versehen wird. Somit kann ein Lenkrad mit einer Nabe, die eine zu den äußeren Formschlus selementen des Endabschnitts korrespondierende innenliegende Formschlusselemente auf weist, mit dem Lenkwellenteil drehmomentschlüssig gekoppelt werden, wobei ein Befesti gungsmittel in Form einer Schraube mit dem Innengewinde des Endabschnitts in Wirkeingriff gebracht ist und somit das Lenkrad an dem Lenkwellenteil festlegt.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug, bei dem mindestens zwei Lenkwellenteile bereitgestellt und drehschlüssig miteinander verbunden werden, sieht erfindungsgemäß vor, dass zumindest eines der Lenkwellenteile hergestellt wird nach einem Verfahren gemäß einer oder mehrerer der vorangehend beschriebenen Ausführungen, und mit zumindest einem weiteren Lenkwellenteil verbunden wird. Weitere Lenkwellenteile können beispielsweise Lenkwellenkomponenten umfassen, wie beispiels weise einen weiteren Lenkwellenabschnitt, ein Gelenk, ein Getriebe, einen Hilfskraftantrieb, ein Lenkrad oder dergleichen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Lenkwel lenteile rationell und mit vorteilhaften Eigenschaften bereitgestellt werden, was auch für eine daraus gebildete Lenkwelle vorteilhaft ist. Beispielsweise können durch das Taumelstauchen eine höhere Festigkeit und damit eine höhere Steifigkeit bei geringeren Abmessungen der Lenkwellenteile erreicht werden, so dass ein geringeres Gewicht und/oder eine kleinere Bau größe der Lenkwelle realisiert werden können.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, bei dem mindestens zwei Lenkwellenteile bereitgestellt und drehschlüssig miteinander verbunden
werden, sieht erfindungsgemäß vor, dass zumindest eines der Lenkwellenteile der Lenkwelle hergestellt wird nach einem Verfahren gemäß einer oder mehrerer der vorangehend be schriebenen Ausführungen, und die Lenkwelle in einer Manteleinheit um die Längsachse drehbar gelagert montiert wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Lenkwel lenteile und eine daraus gebildete Lenkwelle rationell und mit vorteilhaften Eigenschaften be reitgestellt werden, was auch für eine diese aufweisende Lenksäule vorteilhaft ist. Beispiels weise können durch das Taumelstauchen eine höhere Festigkeit und damit eine höhere Stei figkeit bei geringeren Abmessungen der Lenkwellenteile erreicht werden, so dass ein gerin geres Gewicht und/oder eine kleinere Baugröße der Lenksäule realisiert werden können.
Bei einem Lenkwellenteil für eine Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug, welches eine Hohlwelle aufweist, welche zumindest an einem Endabschnitt einen Verbindungsabschnitt aufweist, der zumindest über einen Teil seiner Länge eine gegenüber einem sich an den Verbindungsab schnitt anschließenden Abschnitt der Hohlwelle eine Wandstärkenvergrößerung aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wandstärkenvergrößerung einstückig mit der Hohl welle ausschließlich durch plastische Umformung des Materials in dem Endabschnitt durch Taumelstauchen ausgebildet ist nach einem der vorangehend beschriebenen Verfahren.
Die Hohlwelle wird gebildet durch einen rohrförmigen Lenkwellenabschnitt, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Durch das Taumelstauchen kann ein relativ großes Umformverhältnis erzeugt werden, und durch die optimierte Umformung kann opti mierte Gefügestruktur und eine höhere Festigkeit des Verbindungsabschnitts erreicht wer den.
Ein erfindungsgemäßes Lenkwellenteil kann beispielsweise eine Lenkwellenkomponente umfassen, wie beispielsweise einen weiteren Lenkwellenabschnitt, ein Gelenk, ein Getriebe, einen Hilfskraftantrieb, ein Lenkrad oder dergleichen, oder als Teil eines solchen ausgebildet sein.
Bevorzugt ist bei einer erfindungsgemäßen Lenkwelle vorgesehen, dass zumindest zwei Lenkwellenteile drehschlüssig miteinander verbunden sind. Die beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften und Wirkungen können bereits dadurch erreicht werden, dass zumindest ei nes der Lenkwellenteile erfindungsgemäß ausgestaltet ist.
Bei einer Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens zwei Lenkwellenteile, die drehschlüssig miteinander verbunden sind, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumin dest eines der Lenkwellenteile der Lenkwelle hergestellt wird nach einem Verfahren gemäß
einer oder mehrerer der vorangehend beschriebenen Ausführungen. Die beschriebenen Vor teile der erfindungsgemäßen Lenkwelle können dadurch auch für eine Lenksäule genutzt werden.
Bei einer Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens ein Lenkwellenteil, ist er findungsgemäß vorgesehen, dass das Lenkwellenteil der Lenkwelle hergestellt wird nach ei nem Verfahren gemäß einer oder mehrerer der vorangehend beschriebenen Ausführungen. Die beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Lenkwelle können dadurch auch für eine Lenksäule genutzt werden.
Es kann vorteilhaft sein, dass zumindest ein Lenkwellenteil in einer zur Verbindung mit einer Kraftfahrzeugkarosserie ausgestalteten Manteleinheit der Lenksäule um die Längsachse drehbar gelagert ist. Beispielsweise kann eine Lenkspindel erfindungsgemäß ausgestaltet sein. Dabei kann der Verbindungsabschnitt eingerichtet und ausgebildet sein zur Befestigung eines Lenkrads oder einer anderen Lenkungskomponente, beispielsweise eines Gelenks zum Anschluss der Lenkspindel an eine Zwischenwelle.
Beschreibung der Zeichnungen
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnun gen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Lenkwelle,
Figur 2 einen Längsschnitt durch einen Rohrabschnitt,
Figur 3 einen Längsschnitt durch ein einen erfindungsgemäßen rohrförmigen Lenk wellenabschnitt,
Figur 4 eine Gesenkanordnung und einen Taumelstempel zur Herstellung eines erfin dungsgemäßen Lenkwellenabschnitts gemäß Figur 3,
Figur 5 die Anordnung gemäß Figur 4 in einer teilweise auseinander gezogenen Dar stellung,
Figur 6 einen Längsschnitt durch die Anordnung gemäß Figur 4,
Figur 7 eine Detailansicht des Längsschnitts gemäß Figur 6 vor der Durchführung des erfindungsgemäßen T aumelstauchens,
Figur 8 eine Detailansicht des Längsschnitts wie in Figur 7 während des erfindungs gemäßen Taumelstauchens,
Figur 9 eine Detailansicht des Längsschnitts wie in Figur 8 nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Taumelstauchens.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäß ausgestaltete Lenkwelle 1 in einer schematischen per spektivischen Darstellung. Diese umfasst eine in Richtung einer Längsachse L erstreckte Lenkspindel 11, die über ein erstes Kreuzgelenk 12 mit einer Zwischenwelle 13 verbunden ist, welche an ein weiteres Kreuzgelenk 14 angeschlossen ist.
Die Lenkspindel 11 umfasst ein als Hohlwelle ausgebildetes Lenkwellenteil 10, in das lenk wellenseitig eine Innenwelle 3 in Richtung der Längsachse L teleskopierbar eintaucht, wie mit dem Doppelpfeil angedeutet. Die Innenwelle 3 hat einen unrunden Außenquerschnitt, der beispielsweise ein polygonales oder kleeblattförmiges Profil haben kann, und in einen dazu bezüglich Drehung um die Längsachse L im Querschnitt formschlüssig korrespondierenden Abschnitt des Lenkwellenteils 10 in an sich bekannter Weise eintaucht.
Das Lenkwellenteil 10 weist einen rohrförmigen, im gezeigten Beispiel hohlzylindrischen Lenkwellenabschnitt 2 auf. In einem Endabschnitt, der in der Zeichnung nach links zeigt, weist dieser rohrförmige Lenkwellenabschnitt 2 einen Verbindungsabschnitt 21 auf. In dem in Figur 3 gezeigten Längsschnitt entlang der Längsachse L ist erkennbar, dass der Verbin dungsabschnitt 21 eine Wandstärkenvergrößerung 22 hat, auch als Wandungsverdickung bezeichnet, mit einer Wandstärke D. Außerhalb des Verbindungsabschnitts 21 ist die Wan dung dünner mit einer Wandstärke d, wobei also gilt: d < D.
Die Wandstärkenvergrößerung 22 hat eine axiale Länge L3. Diese Länge L3 ist größer als die Wanddicke d in unverformtem Zustand. Die Steifigkeit kann dadurch erhöht sein, dass
wie in dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel die Länge L3 der Wandstärkenvergrö ßerung 22 größer ist als die Wanddicke D im Bereich der Wandstärkenvergrößerung 22.
Figur 2 zeigt in derselben Schnittansicht wie Figur 3 einen Rohrabschnitt 4, der als Aus gangsmaterial bzw. Flalbzeug zur Flerstellung eines erfindungsgemäßen Lenkwellenab schnitts 2 dient. Der Rohrabschnitt 4 hat eine gleichmäßig durchgehende Wandstärke d, und ist beispielsweise von einem durchgehenden Stahlrohrmaterial abgelängt. An seinem freien Ende befindet sich eine axiale Stirnseite 41.
Die Wandstärkenvergrößerung 22 ist durch erfindungsgemäßes Taumelstauchen des Rohr abschnitts 4 um den Stauchweg s einstückig erzeugt worden, daher ist das Lenkwellenteil 2 in Längsrichtung um diesen Stauchweg s kürzer als der Rohrabschnitt 4, wie in Figur 3 im Vergleich mit Figur 2 angedeutet ist. Der Rohrabschnitt weist eine Länge L1 gemessen in Richtung der Längsachse L auf und das Lenkwellenteil 2 weist eine Länge L2 gemessen in Richtung der Längsachse L auf, wobei der Stauchweg s sich aus der Differenz der Länge L1 und der Länge L2 ergibt. Der Stauchweg s ist gemessen zwischen der Stirnseite 41 des Rohrmaterials 4, welche identisch ist mit der Stirnseite 41 des Lenkwellenabschnitts 2. In der Figur 3 ist die ursprüngliche Länge des Rohrabschnitts 4 mit der gestrichelten Linie schema tisiert angedeutet.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in einer perspekti vischen Ansicht in Figur 4, im Längsschnitt in Figur 6, und in Figur 5 in einer in Längsrichtung auseinander gezogenen Darstellung gezeigt.
Die Vorrichtung umfasst einen Taumelstempel 5 und eine Gesenkanordnung 6. Die Ge senkanordnung 6 weist eine offene Gesenkhülse 61 mit einer stirnseitigen Öffnung 610 und einen darin koaxial angeordneten Gesenkdorn 62 auf. Die Gesenkhülse 61 ist auf ihrer der Öffnung 610 abgewandten Grundseite an einer Basis 63 fest montiert, an der der Gesenk dorn 62 durch ein Federelement 64 in Längsrichtung elastisch bewegbar abgestützt ist, wie in Figur 6 mit dem Pfeil angedeutet ist. Der Gesenkdorn 62 wird auch kurz als Dorn 62 und die Gesenkhülse 61 wird auch kurz als Hülse 61 bezeichnet.
Der Innenquerschnitt der Gesenkhülse 61 und der Außenquerschnitt des Gesenkdorn 62 sind so bemessen, dass der radiale Abstand in dem gebildeten ringförmigen Zwischenraum etwa der Wanddicke d entspricht, so dass der Rohrabschnitt 4 darin koaxial mit geringem Spiel aufgenommen werden kann, wie in Figuren 6 bis 9 erkennbar ist.
Aus den vergrößerten Schnittdarstellungen von Figuren 7, 8, 9 ist ersichtlich, dass der Dorn 62 in seinem der Öffnung 610 zugewandten Endbereich einen abschnittweise verkleinerten Querschnitt hat, so dass zwischen Dorn 62 und Hülse 61 ein größerer radialer Abstand D verbleibt, der der vergrößerten Wanddicke D der Wandstärkenvergrößerung 22 entspricht. Dadurch wird ein Formhohlraum 65 mit vergrößertem Querschnitt gebildet.
Zum Start des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Rohrabschnitt 4 in die Gesenkanord nung zwischen die Hülse 62 und den Dorn 61 eingesetzt, wie in Figur 7 dargestellt. Mit sei ner Wandstärke d füllt der Rohrabschnitt 4 den Zwischenraum zwischen dem Dorn 61 und der Hülse 62 außerhalb des Formhohlraums 65 im Wesentlichen aus, während der Form hohlraum 65 nicht vollständig mi dem Material des Rohrabschnitts 4 gefüllt ist.
Der Taumelstempel 5 wird in eine Taumelbewegung versetzt, bei der die gegen die Längs achse L geneigte Achse T (Taumelachse) des Taumelstempels 5 die Längsachse L entlang eines Kegelmantels, der in Richtung auf die Gesenkanordnung 6 zu in Längsrichtung zusam menläuft, umkreist, wie in Figur 4 und 5 eingezeichnet ist.
Ausgehend von Figur 7 wird der Taumelstempel 5 in Längsrichtung durch die Öffnung 610 in die Hülse 62 eingeführt und stirnseitig mit einer Umform- oder Stauchkraft F gegen den Ge senkdorn 61 angepresst, also in Figur 7 nach unten. Der federnd abgestützte Dorn 61 weicht nach unten aus, bis der Taumelstempel 5 die Stirnseite 41 des Rohrabschnitts 4 in einem Presskontakt K kontaktiert. Der Presskontakt K erstreckt sich wegen des geneigten Taumel stempels 5 nur über einen kleinen Umfangsteilbereich der Stirnseite 41 des Rohrabschnitts 4.
Durch die Taumelbewegung läuft der Presskontakt K in Umfangsrichtung zyklisch über die Strinseite 41 entlang. Währenddessen wird der Taumelstempel 5 mit der Stauchkraft F ge gen die Stirnseite 41 angepresst, wodurch der Rohrabschnitt 4 in Längsrichtung gestaucht wird. Dabei wird der Dorn 61 beim Stauchvorgang durch die Stauchkraft F mitbewegt und nach unten geschoben, so dass die Stauchkraft F weiter im Presskontakt K anliegt. Durch das beschriebene Taumelstauchen fließt das Material in Umfangsrichtung, und gleichzeitig in Längs- und Radialrichtung. Der Taumelstempel 5 wird in einem Arbeitshub durch die Kraft F um den Stauchweg s in Längsrichtung weiter bewegt. Dadurch wird das Material weiter plas tisch verformt, bis der gesamte Formhohlraum 65 ausgefüllt ist, wie in Figur 9 dargestellt ist. Dadurch ist eine einstückige Wandstärkenvergrößerung 22 ausgebildet worden, so dass ein Lenkwell enteil 2 gebildet ist.
Nachdem der in Figur 9 gezeigte Fertigungszustand erreicht ist, kann der fertige Lenkwellen abschnitt 2 aus der Gesenkanordnung 6 entnommen werden. Dies kann beispielsweise durch einen reine Längsbewegung erfolgen oder durch eine überlagerte Längs- und Rotati onsbewegung, mit der auch ein durch das erfindungsgemäße Verfahren im Endabschnitt ausgebildeten Gewinde entformt werden kann.
Es ist beispielsweise auch denkbar und möglich, dass die Innenwelle 3 zur drehschlüssigen Verbindung mit dem Gelenk 12 einen Lenkwellenabschnitt 31 aufweist, der erfindungsgemäß gleichartig aufgebaut und gefertigt sein kann, wie der Lenkwellenabschnitt 2. Prinzipiell kann auch die Zwischenwelle 13 ähnlich gestaltet sein wie die Lenkspindel 11.
Bezugszeichenliste
1 Lenkwelle
10 Lenkwellenteil
11 Lenkspindel
12,14 Kreuzgelenk 13 Zwischenwelle
2 Lenkwellenabschnitt
21 Verbindungsabschnitt
22 Wandstärkenvergrößerung
3 Innenwelle
31 Lenkwellenabschnitt
4 Rohrabschnitt
5 Taumelstempel
6 Gesenkanordnung
61 Gesenkdorn (Dorn)
610 Öffnung
62 Gesenkhülse (Hülse)
63 Basis
64 Federelement
L Längsachse
D vergrößerte Wanddicke d Wanddicke
T Taumelachse s Stauchweg
F Stauchkraft (Umformkraft)
K Presskontakt
L1 Länge des Rohrabschnitts 4
L2 Länge des Lenkwellenabschnitts 2
L3 Länge der Wandstärkenvergrößerung 22
Claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Lenkwellenteils (10) einer Lenkwelle (1) für ein Kraft fahrzeug, welches einen sich von einer Stirnseite (41) in einer Längsrichtung erstre ckenden rohrförmigen Lenkwellenabschnitt (2) aufweist, der in einem sich von der Stirnseite (41) über einen Teilabschnitt des Lenkwellenabschnitts (2) erstreckenden Endabschnitt einen Verbindungsabschnitt (21) aufweist, der zumindest über einen Teil seiner Länge eine gegenüber einem sich an den Verbindungsabschnitt (21) an schließenden Abschnitt des Lenkwellenteils (10) eine Wandstärkenvergrößerung (22) aufweist, umfassend die Schritte
- Bereitstellen eines Rohrabschnitts (4),
- Erzeugen einer Wandstärkenvergrößerung (22) durch zumindest abschnitt weise Umformung in dem sich von der Stirnseite (41) erstreckenden Endab schnitt zur Ausbildung des Verbindungsabschnitts (21), dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der Wandstärkenvergrößerung (22) durch plastische Umformung des Endabschnitts des Rohrabschnitts (4) durch Taumelstauchen erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Taumelstauchen ein um eine gegen die Längsrichtung geneigte Achse (T) kreisender Taumelstem pel (5) in einer zyklisch umlaufenden Walzbewegung gegen die Stirnseite (41) ange presst wird, wobei das Material in Umfangsrichtung, in Längsrichtung und in Radial richtung fließt.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt (4) beim Taumelstauchen in einer Gesenkanordnung (6) auf genommen ist, die eine stirnseitig offene, zumindest den Endabschnitt des Rohrab schnitts (4) umschließende Gesenkhülse (61) aufweist, und einen in den Rohrab schnitt (4) eintauchenden Gesenkdorn (62) aufweist, wobei der Rohrabschnitt (4) zwi schen dem Gesenkdorn (62) und der Gesenkhülse (61) aufgenommen ist und zwi schen dem Gesenkdorn (62) und der Gesenkhülse (61) ein mit der Wandstärkenver größerung (22) korrespondierender Ringraum (65) bereitgestellt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Taumelstauchen der Gesenkdorn (62) von der Stirnseite (41) aus gesehen relativ zur Gesenkhülse
(61) in Längsrichtung bewegt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Taumelstauchen mindestens ein Formschlusselement ausgebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt (4) und/oder der Verbindungsabschnitt (21) einen runden Querschnitt oder einen unrunden Querschnitt aufweisen.
7. Verfahren zur Herstellung einer Lenkwelle (1) für ein Kraftfahrzeug, bei dem mindes tens zwei Lenkwellenteile (10, 3) bereitgestellt und drehschlüssig miteinander verbun den werden, gekennzeichnet dadurch, dass zumindest eines der Lenkwellenteile (10) hergestellt wird nach einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, und mit zumindest einem weiteren Lenkwellenteil (3) verbunden wird.
8. Verfahren zur Herstellung einer Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, bei dem mindestens zwei Lenkwellenteile (10, 3) bereitgestellt und drehschlüssig miteinander verbunden werden, gekennzeichnet dadurch, dass zumindest eines der Lenkwellenteile (10) hergestellt wird nach einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, und die Lenkwelle (1) in einer Manteleinheit um die Längsachse (L) drehbar gelagert montiert wird.
9. Lenkwellenteil (10) für eine Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug, welches eine Hohlwelle (2) aufweist, welche zumindest an einem Endabschnitt einen Verbindungsabschnitt (21) aufweist, der zumindest über einen Teil seiner Länge eine gegenüber einem sich an den Verbindungsabschnitt (21) anschließenden Abschnitt der Hohlwelle (2) eine Wandstärkenvergrößerung (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärkenvergrößerung (22) einstückig mit der Hohlwelle (2) ausschließ lich durch plastische Umformung des Endabschnitt durch Taumelstauchen ausgebil det ist nach einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8.
10. Lenkwelle (1) für ein Kraftfahrzeug mit mindestens zwei Lenkwellenteilen (10, 3), wo bei zumindest eines der Lenkwellenteile (10) eine Hohlwelle (2) umfasst, welche zu-
mindest an einem Endabschnitt einen Verbindungsabschnitt (21) aufweist, der zumin dest über einen Teil seiner Länge eine gegenüber einem sich an den Verbindungsab schnitt (21) anschließenden Abschnitt der Hohlwelle (2) eine Wandstärkenvergröße rung (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lenkwellenteil (10) ausgebildet ist nach Anspruch 9.
11. Lenkwelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Lenk wellenteile (10, 3) drehschlüssig miteinander verbunden sind.
12. Lenksäule für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens zwei Lenkwellenteile (10,3), die drehschlüssig miteinander verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, dass die Lenkwelle (1) ausgebildet ist nach Anspruch 10.
13. Lenksäule nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lenkwel lenteil (10, 3) in einer zur Verbindung mit einer Kraftfahrzeugkarosserie ausgestalte ten Manteleinheit um die Längsachse (L) drehbar gelagert ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die axi ale Länge (L3) der Wandstärkenvergrößerung (22) größer ist als die Wanddicke (d) des Rohrabschnitts (4) in unverformtem Zustand.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die axi ale Länge (L3) der Wandstärkenvergrößerung (22) größer ist als die Wanddicke (D) der Wandstärkenvergrößerung (22).
16. Lenkwelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge (L3) der Wandstärkenvergrößerung (22) größer ist als die Wanddicke (d) des Rohrab schnitts (4) in unverformtem Zustand.
17. Lenkwelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge (L3) der Wandstärkenvergrößerung (22) größer ist als die Wanddicke (D) der Wandstär kenvergrößerung (22).
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