EP1107840B1

EP1107840B1 - Verfahren zum herstellen einer zahnstange und prägevorrichtung zum durchführen des verfahrens

Info

Publication number: EP1107840B1
Application number: EP99946006A
Authority: EP
Inventors: Alfred Brenner
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 1998-08-29
Filing date: 1999-08-21
Publication date: 2003-01-29
Anticipated expiration: 2019-08-21
Also published as: AU757169B2; AU5853899A; DE19839428A1; JP2002523245A; JP4429526B2; DE59904183D1; WO2000012245A1; US6601428B1; KR100563597B1; KR20010073024A; EP1107840A1; ES2192077T3

Description

Die Erfindung betrifft eine Prägevorrichtung zum Herstellen eines Rohlings für eine Zahnstange für Zahnstangenlenkungen von Kraftfahrzeugen.
Allgemein bekannt ist, daß der Rohling für die Herstellung einer Zahnstange wenigstens im Bereich von deren Verzahnung eine von einem Kreiszylinder abweichende Form besitzt Ein solcher Rohling konnte bisher beispielsweise durch ein spanabhebendes Verfahren, durch Fließpressen oder durch ein anderes umformtechnisches Verfahren hergestellt werden. Bei einem solchen umformtechnischen Herstellverfahren konnten in dem Rohling in verschiedenen Bereichen größere Kaltverfestigungen auftreten. Durch eine solche Kaltverfestigung werden jedoch nachfolgende spanlose Umformprozesse erheblich erschwert. Eine Abhilfe war dadurch möglich, daß zwischen die einzelnen Umformprozesse zusätzliche Glühprozesse eingeschaltet werden. Derartige Wärmebehandlungsprozesse bedeuten jedoch eine Unterbrechung in der Kaltumformung von dem Ausgangsmaterial über den Rohling zu der fertigen Zahnstange.
Eine Weiterbearbeitung in einem spanlosen Verfahren ist beispielsweise bekannt aus der DE-C2-32 02 254. Bei diesem Verfahren wird aus einem zylindrischen Ausgangsmaterial zwischen einem Ober- und einem Unterwerkzeug eine Zahnstange durch Taumelschmieden hergestellt Auch bei diesem Verfahren können im Bereich der Verzahnung der Zahnstange Kaltverfestigungen auftreten, die die Herstellung der Zahnstange erschweren.
Aus der JP-A-57 206546 ist eine Prägevorrichtung bekannt, die aus einem während der Verformung mit einer inhärenten Substanz gefüllten Hohlstabrohling eine Zahnstange formt, die wenigstens partiell eine Verzahnung erhält. Hierzu weist die Prägevorrichtung mehrere Formwerkzeuge auf, die relativ zueinander bewegbar sind und durch die dabei auftretenden Kräfte und Reaktionskräfte formend auf den Hohlstabrohling einwirken.
Weiterhin ist in der US-A- 4 715 210, die die Basis für den Oberbegrifft des Anspruchs 1 bildet, ein Gesenk zur Bildung eines Y-förmigen Zahnstangenteils durch Schmieden beschrieben, bei dem das Gesenk eine Gruppe von vier Formelementen besitzt, die symmetrisch um die Symmetrieebene des zu bildenden Zahnstangenteils entsprechenden Längsebene angeordnet sind und mindestens drei dieser Formelemente relativbeweglich zueinander sind.
Bei Prägevorrichtungen nach der JP-A-57 206546 und der US-A- 4 715 210 wirken die zur Verformung notwendigen Formwerkzeuge aus unterschiedlichen Richtungen auf den Zahnstangenrohling ein und damit müssen durch die Vorrichtung auch Kräfte aus unterschiedlichen Richtungen kompensiert werden. Gehäuseteile der Prägevorrichtung müssen aufgrund dieser Kräfte höher dimensioniert werden und die Antriebseinrichtungen für die Formelemente sind kompliziert aufgebaut und kostenintensiv, was gleichzeitig negative Auswirkungen auf die Abmaße der Prägevorrichtung hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rohling für eine Zahnstange derart herzustellen, daß - vor allem im Bereich der nachfolgend herzustellenden Verzahnung der Zahnstange - nur eine geringe Kaltverfestigung auftritt. Dieser Bereich ist deshalb von so großer Bedeutung, weil hier bei dem nachfolgenden Umformprozeß, beispielsweise einem Taumelprozeß, große Fließbewegungen des Materials auftreten. Durch die Vorrichtung sollen insgesamt die Herstellkosten stark reduziert werden und die Vorrichtung selbst soll einfach und kleinbauend aufgebaut sein.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 offenbarte Prägevorrichtung gelöst
Die erfindungsgemäße Prägevorrichtung zum Herstellen eines Rohlings für eine Zahnstange enthält wenigstens drei relativ zueinander bewegliche Formwerkzeuge, von denen eines fest steht, während die anderen beiden relativ zueinander und zu dem feststehenden Formwerkzeug bewegbar sind. Zwei der Formwerkzeuge weisen gegeneinander geneigte, wirksame Flächen auf, die symmetrisch zu einer Symmetrieebene der Zahnstange liegen. Diese Symmetrieebene steht senkrecht zu der späteren Verzahnung der Zahnstange und enthält die Längsachse der Zahnstange. Das dritte der Formwerkzeuge weist eine wirksame Fläche auf, die senkrecht zu der genannten Symmetrieebene der Zahnstange liegt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß das Ausgangsmaterial in einen Rohling für die Zahnstange umgeformt wird, der wenigstens im axialen Bereich der Zahnstangenverzahnung eine von einem Kreiszylinder abweichende Form erhält Durch die Einleitung einer Kraft in wenigstens eines der drei relativ zueinander beweglichen Formwerkzeuge kann das Ausgangsmaterial ohne größere Kaltverfestigung in diejenigen Bereiche des Rohlings geformt werden, die im weiteren Verlauf der Herstellung der Zahnstange größere Verformungen erfahren. Ein zusätzlicher Vorteil eines durch die erfindungsgemäße Vorrichtung anwendbaren Verfahrens liegt darin, daß auf einfache Weise eine Rohlingsform erreicht werden kann, mit der bei einem nachfolgenden Umformprozeß, insbesondere bei einem Taumelverfahren, eine Gratbildung vermieden wird. Auch kann mit einer solchen Prägevorrichtung ein Rohling für eine Zahnstange hergestellt werden, onhe daß beim Umformen aus dem Ausgangsmaterial größere Reibkräfte zu überwinden wären und ohne daß in kritischen Bereichen eine zu starke Kaltverfestigung auftreten würde.
Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. Bei der Prägevorrichtung ist es vorteilhaft, wenn nur eines der drei Formwerkzeuge feststeht. Das feststehende Formwerkzeug ist eines der beiden symmetrisch zu der Symmetrieebene angeordneten Formwerkzeuge. Das Formwerkzeug, dessen wirksame Fläche senkrecht zu der Symmetrieebene der Zahnstange liegt wird derart mit dem anderen Formwerkzeug gekoppelt, daß es sich mit der halben Geschwindigkeit des anderen bewegbaren Formwerkzeuges bewegt.
Dadurch wird erreicht, daß die Symmetrieebene der Zahnstange in ihrer Lage gegenüber dem Formwerkzeug, dessen wirksame Fläche senkrecht zu der Symmetrieebene liegt, unverändert bleibt. Da in diesem Formwerkzeug zweckmäßigerweise das Gegenstück zu dem konkaven bzw. konvexen Längsprofil des Rohlings enthalten ist, so bleibt dieses Längsprofil stets in der Symmetrieebene der Zahnstange.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1: die erfindungsgemäße Prägevorrichtung in schematischer Darstellung in ihrer Ausgangsstellung;
Fig. 2: die Prägevorrichtung nach Fig. 4 in einer Stellung, die dem Ende des Herstellungsverfahrens entspricht;
Fig. 3 bis 5: drei Ausführungsbeispiele einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Rohlings für eine Zahnstange im Querschnitt und
Fig. 6: eine perspektivische Ansicht des Rohlings.

Die erfindungsgemäße Prägevorrichtung enthält drei relativ zueinander bewegbare Formwerkzeuge 1, 2, und 3. Eines der Formwerkzeuge, in diesem Fall das Formwerkzeug 1, steht fest. Die beiden anderen Formwerkzeuge 2 und 3 sind relativ zueinander und zu dem Formwerkzeug 1 bewegbar. Die Formwerkzeuge 1 und 2 weisen gegeneinander geneigte, wirksame Flächen 4 und 5 auf, die symmetrisch zueinander in bezug auf eine Symmetrieebene 6 liegen. Die Symmetrieebene 6 gehört zu einem Ausgangsmaterial 7, das einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Symmetrieebene 6 ist derart definiert, daß sie senkrecht zu der Verzahnung der aus dem Ausgangsmaterial 7 geformten, späteren Zahnstange liegt. Außerdem enthält die Symmetrieebene 6 die Längsachse des Ausgangsmaterial 7 und damit der späteren Zahnstange. Das Formwerkzeug 3 weist eine wirksame Fläche 8 auf, die senkrecht zu der Symmetrieebene 6 steht.
Die Bewegungsrichtung desjenigen Formwerkzeuges 3, dessen wirksame Fläche 8 senkrecht zu der genannten Symmetrieebene 6 der Zahnstange steht ebenso die Bewegungsrichtung des bewegbaren Formwerkzeug 2, das eines der beiden Formwerkzeuge 1 oder 2 ist, deren wirksame Flächen 4, 5 symmetrisch zu der Symmetrieebene 6 der Zahnstange liegen, verlaufen in einen Winkel von 90 Grad zu der Symmetrieebene 6 und der Bewegungsablauf der beiden bewegbaren Formwerkzeuge 3 und 2 erfolgt in einem Abstand voneinander und parallel zueinander.
An der wirksamen Fläche 8 des Formwerkzeuges 3 ist ein konvexes Längsprofil 9 ausgebildet Das Längsprofil 9 besitzt in dem Ausführungsbeispiel einen etwa halbkreisförmigen Querschnitt. Der Querschnitt kann jedoch mit gleicher Wirkung durch ein Dreieck, ein Rechteck oder eine Kombination aus allen diesen Formen gebildet sein.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 sind die beiden relativ zueinander bewegbaren Formwerkzeuge 2 und 3 derart miteinander gekoppelt, daß das Formwerkzeug 3 während des eigentlichen Umformprozesses mit der halben Geschwindigkeit des Formwerkzeuges 2 bewegbar ist. Der eigentliche Umformprozeß beginnt dann, sobald die wirksame Fläche 4 mit der Außenkontur des Ausgangsmaterials 7 in Kontakt kommt.
In Fig. 2 ist das Ende des Umformprozesses dargestellt Sowohl das Formwerkzeug 2 als auch das Formwerkzeug 3 befinden sich in ihrer jeweiligen Endstellung, in der aus dem Ausgangsmaterial 7 ein Rohling 10 geformt ist.
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Prägevorrichtung zum Herstellen eines Rohlings für eine Zahnstange für eine Zahnstangenlenkung für Kraftfahrzeuge funktionell beschrieben.
In einem ersten Schritt wird das Ausgangsmaterial 7 mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt in die Prägevorrichtung zwischen die Formwerkzeuge 1, 2 und 3 eingelegt. In einem zweiten Schritt wird auf das Formwerkzeug 2 eine Kraft in der Richtung des Pfeiles 11 ausgeübt Dabei wird das Formwerkzeug 3, das in der oben beschriebenen Art mit dem Formwerkzeug 2 gekoppelt ist, derart bewegt, daß das Ausgangsmaterial 7 wenigstens in einem axialen Bereich 12 eine von einem Kreiszylinder abweichende Form erhält. Der axiale Bereich 12 befindet sich in der Fig. 6 dort, wo bei einer aus dem Rohling 10 hergestellten Zahnstange deren Verzahnung liegt.
Während des zweiten Schrittes wird zweckmäßigerweise in das Ausgangsmaterial 7 durch das konvexe Längsprofil 9 ein konkaves Längsprofil 13 eingearbeitet Das Längsprofil 13 befindet sich in dem Rohling 10 zweckmäßigerweise in der Symmetrieebene 6, und zwar an der Seite, die der späteren Verzahnung der Zahnstange gegenüberliegt Bei diesem zweiten Verfahrensschritt wird die Symmetrieebene 6 um den halben Weg des Formwerkzeuges 2 in Richtung auf das Formwerkzeug 1 verschoben.
In einem weiteren Verfahrensschritt, der nicht Gegenstand dieser Anmeldung ist, wird die Zahnstange durch Taumelschmieden aus dem Rohling 10 umgeformt Das Längsprofil 13 ist in den Rohling 10 eingearbeitet, um den Rohling 10 während des Taumelschmiedens gegenüber den Taumelmomenten abstützen zu können.
Anstelle des einen Längsprofils 13 kann der Rohling auch zwei oder mehr entsprechend kleinere Längsprofile aufweisen.
Bei dem zweiten Verfahrensschritt erhält der Rohling 10 wenigstens im Verzahnungsbereich der Zahnstange zwei im wesentlichen symmetrisch zueinander angeordnete, zueinander geneigte Abflachungen 14 und 15, die von den zueinander geneigten wirksamen Flächen 4 und 5 der Formwerkzeuge 2 und 1 herrühren. Werden die wirksamen Flächen 4 und 5 nicht eben ausgebildet, sondern mit verschiedenen Teilflächen, die unter einem Winkel zueinander stehen, so erhalten die Abflachungen 14 und 15 polygonartige Oberflächen. Ebenso können die Abflachungen 14 und 15 leicht ballig ausgebildet werden.
Bei der Ausführungsform des Rohlings 10A nach Fig. 4 besitzen die wirksamen Flächen 4 und 5 ebenfalls keine ebenen Flächen, sondern sind gewölbt ausgebildet. Dadurch erhält der Rohling 10A zwei im wesentlichen symmetrisch zueinander angeordnete Einschnürungen 16 und 17, die zweckmäßigerweise auf den Verzahnungsbereich der zukünftigen Zahnstange beschränkt sind.
Der Winkel zwischen den Abflachungen 14 und 15 und der Symmetrieebene 6 liegt zweckmäßigerweise in einem Bereich zwischen 12 Grad und 30 Grad, insbesondere im Bereich von 20 plus/minus 5 Grad. Diese Werte gelten auch dann, wenn die Abflachungen 14 und 15 nicht als ebene Flächen sondern als polygonartige Oberflächen oder als Einschnürungen 16 und 17 ausgeführt sind. In diesen Fällen gelten die Bereiche für die gemittelten Winkel.
In den Ausführungsformen des Rohlings nach den Fig. 3 und 4 ist das Längsprofil 13 jeweils konkav ausgebildet In Fig. 3 ist das Längsprofil 13 als Kreissegment, in Fig. 4 als Dreieck-Querschnitt ausgebildet.
Fig. 5 zeigt einen Zahnstangen-Rohling 10B, dessen Längsprofil konvex ausgebildet ist, so daß der Rohling einen sogenannten Y-Querschnitt erhält.
Wesentlich bei allen Rohlingsformen ist, daß in dem Verzahnungsbereich der zukünftigen Zahnstange ausreichend viel Material vorhanden ist, um die Umformung der Verzahnung zu erleichtern. Das Ausgangsmaterial 7 wird deshalb nahezu ohne Kaltverfestigung derart umgeformt, daß Werkstoff aus der Mitte primär in den Verzahnungsbereich verdrängt wird. Dadurch ergibt sich der in den Fig. 3 bis 5 dargestellte, von der Kreisform abweichende Querschnitt der Rohlinge 10, 10A, 10B.
Andere Variationen und Kombinationen von unterschiedlichen Längsprofilen 13, Abflachungen 14, 15 und Einschnürungen 16, 17 liegen im Rahmen der Erfindung.
Anstelle einer Koppelung der beiden Formwerkzeuge 2 und 3 können zwei unabhängig voneinander wirkende Kräfte auf die beiden Formwerkzeuge aufgebracht werden.

Bezugszeichen

1: Formwerkzeug
2: Formwerkzeug
3: Formwerkzeug
4: wirksame Fläche
5: wirksame Fläche
6: Symmetrieebene
7: Ausgangsmaterial
8: wirksame Fläche
9: Längsprofil
10: Rohling
11: Pfeil
12: axialer Bereich
13: Längsprofil
14: Abflachung
15: Abflachung
16: Einschnürung
17: Einschnürung

Claims

Prägevorrichtung zum Herstellen eines Rohlings für eine Zahnstange für Zahnstangenlenkungen von Kraftfahrzeugen mit folgende Merkmalen:
- die Prägevorrichtung enthält wenigstens drei relativ zueinander bewegbare Formwerkzeuge (1, 2, 3),

- eines der Formwerkzeuge (1, 2, 3) steht fest, die beiden anderen sind relativ zueinander und zu dem einen Formwerkzeug bewegbar,

- zwei der Formwerkzeuge (1, 2, 3) weisen gegeneinander geneigte, wirksame Flächen (4, 5) auf, die symmetrisch zu einer Symmetrieebene (6) der späteren Zahnstange liegen, wobei die Symmetrieebene (6) senkrecht zu der Verzahnung der späteren Zahnstange steht und die Längsachse der Zahnstange enthält,

- das dritte der Formwerkzeuge (1, 2, 3) weist eine wirksame Fläche (8) auf, die senkrecht zu der genannten Symmetrieebene (6) der Zahnstange steht, dadurch gekennzeichnet, daß

- eines der beiden relativ zueinander und zu dem einen Formwerkzeug, bewegbaren Formwerkzeuge (1, 2, 3) eines der beiden Formwerkzeuge (1, 2) ist, deren wirksame Flächen (4, 5) symmetrisch zu der Symmetrieebene (6) der Zahnstange liegen und

- das andere der beiden relativ zueinander und zu dem einen Formwerkzeug bewegbaren Formwerkzeuge (1, 2, 3) dasjenige Formwerkzeug (3) ist, dessen wirksame Fläche (8) senkrecht zu der genannten Symmetrieebene (6) der Zahnstange steht, und

- daß die Bewegungsrichtung desjenigen Formwerkzeuges (3), dessen wirksame Fläche (8) senkrecht zu der genannten Symmetrieebene (6) der Zahnstange steht ebenso wie die Bewegungsrichtung des einen bewegbaren Formwerkzeuges (1 oder 2), das eines der beiden Formwerkzeuge (1 oder 2) ist, dessen wirksame Flächen (4, 5) symmetrisch zu der Symmetrieebene (6) der Zahnstange liegen, in einen Winkel von 90 Grad zu der Symmetrieebene (6) verlaufen und daß der Bewegungsablauf der beiden bewegbaren Formwerkzeuge (3 und 1 oder 2) in einem Abstand voneinander und parallel zueinander, erfolgt.
Prägevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden relativ zueinander und zu dem einen Formwerkzeug (1) bewegbaren Formwerkzeuge (2, 3) derart miteinander gekoppelt sind, daß dasjenige Formwerkzeug (3), dessen wirksame Fläche (8) senkrecht zu der genannten Symmetrieebene (6) der Zahnstange liegt, mit der halben Geschwindigkeit des anderen bewegbaren Formwerkzeuges (2) bewegbar ist.
Prägevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den gegeneinander geneigten, wirksamen Flächen (4, 5) der beiden Formwerkzeuge (1, 2) und der Symmetrieebene (6) in einem Bereich zwischen 12 Grad und 30 Grad liegt.
Prägevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß der Winkel zwischen den gegeneinander geneigten, wirksamen Flächen (4, 5) der beiden Formwerkzeuge (1, 2) und der Symmetrieebene (6) in einem Bereich von 20 plus/minus 5 Grad liegt.
Prägevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche (8) des Formwerkzeuges (3) als ein konvexes oder konkaves Längsprofil (9) ausgebildet ist, welches einen kreissegmentförmigen, einen dreieckförmigen, einen rechteckförmigen Querschnitt oder einen, der sich aus einer Kombination der Elemente Kreissegment, Rechteck und Dreieck zusammensetzt, besitzt.