DE112006000619B4

DE112006000619B4 - Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange

Info

Publication number: DE112006000619B4
Application number: DE112006000619.3T
Authority: DE
Inventors: Juergen Dohmann
Original assignee: Bishop Innovation Pty Ltd
Current assignee: Bishop Steering Technology Pty Ltd Au
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2006-03-21
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2026-03-22
Also published as: KR20070112804A; WO2006099661A1; US20080184833A1; US7950153B2; DE112006000619T5

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) für ein Fahrzeug-Zahnstangenlenkungssystem, wobei die Zahnstange (19a, 19b, 19c) Getriebezähne (20) und einen Schaft (32) aufweist, wobei der Schaft (32) einen konstanten Außendurchmesser (33) und eine konstante Wandstärke (34) über den größten Teil seiner Länge hat, wobei das Verfahren das Durchführen eines Schmiedevorgangs an einem rohrförmigen Teil (10b, 10c, 10e) umfasst, bei dem ein längliches Teil (12, 12a) in die Bohrung eines ersten Bereichs (11) des rohrförmigen Teils (10b, 10c, 10e) eingesetzt ist; wobei der Schmiedevorgang die Getriebezähne (20) auf dem ersten Bereich (11) formt und dadurch das längliche Teil (12, 12a) in dem rohrförmigen Teil (10d) gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schmiedevorgang das rohrförmige Teil (10b, 10c, 10e) hergestellt wird, indem ein Formvorgang an einem Rohrstück (10a) derart durchgeführt wird, dass der Außendurchmesser (35) des ersten Bereichs (11) kleiner als der konstante Außendurchmesser (33) des Schafts (32) ist, und dass die Wandstärke (36) des ersten Bereichs (11) größer als die konstante Wandstärke (34) des Schafts (32) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lenkungszahnstange nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus JP 57-195 960 A bekannt.
Hintergrund
Typischerweise werden Lenkungszahnstangen für Fahrzeug-Zahnstangenlenkgetriebe aus rundem, massivem Stangenmaterial hergestellt, wobei der gezahnte Bereich in der Nähe eines Endes durch Räumen hergestellt ist. Dies führt dazu, dass der gezahnte Bereich im Querschnitt die Form eines ”D” hat und daher werden diese Zahnstangen üblicherweise als ”D-Zahnstangen” bezeichnet. Der gezahnte Bereich einer solchen geräumten D-Zahnstange hat wesentlich geringere Biegefestigkeit als der runde, massive Schaft, der sich davon erstreckt. Um jedoch das Gewicht der Zahnstange zu minimieren, ist es erwünscht, dass der gezahnte Bereich und der Schaft ähnliche Biegefestigkeit haben. Ein üblicher Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, den Schaft über den größten Teil seiner Länge mit einer Tieflochbohrung zu versehen, was zu einem im Wesentlichen rohrförmigen Schaft führt. Die Nachteile der Tieflochbohrung bestehen jedoch darin, dass Material vergeudet wird und dass es ein verhältnismäßig aufwendiger Prozess ist. Ein weiterer Nachteil des Räumens des gezahnten Bereichs an der Zahnstange besteht darin, dass man beim Räumen keine Zähne mit veränderlicher Übersetzung herstellen kann.
Ein anderes Verfahren der Herstellung einer Zahnstange aus einem runden, massiven Stangenmaterial besteht darin, den gezahnten Bereich zu schmieden. Die US-Patente 4,571,982 (Bishop) und 5,862,701 (Bishop u. a.) offenbaren eine Gesenkschmiedevorrichtung zum gratfreien Warmschmieden des gezahnten Bereichs zu der Endform. ”Endform” bedeutet, dass die geschmiedeten Zahnstangenzahne nach dem Schmieden keine weitere Verarbeitung erfordern. Ein Vorteil des Schmiedens besteht darin, dass die Zahnstangenzahne so geformt werden können, dass sie ein veranderliches Übersetzungsverhältnis haben. Der Querschnitt des gezahnten Bereichs einer Zahnstange, die von einem derartigen Gesenk geschmiedet wurde, hat eine ”Y”-Form und derartige Zahnstangen werden üblicherweise als ”Y-Zahnstangen” bezeichnet. Der gezahnte Bereich einer geschmiedeten Y-Zahnstange hat eine größere Biegefestigkeit als der gezahnte Bereich einer D-Zahnstange, die aus einer massiven Stange mit gleichem Durchmesser durch Räumen geräumt ist, und so können Y-Zahnstangen aus Stangen mit kleinerem Durchmesser geschmiedet werden, während sie die gesamte Biegefestigkeit beibehalten. Die Schäfte von Y-Zahnstangen sind aber weiterhin üblicherweise mit einer Tiefenbohrung versehen, um das Gewicht zusätzlich zu reduzieren.
Die WO 2005/053875 A1 (Bishop Innovation Limited) offenbart eine Gesenkvorrichtung für das gratfreie Schmieden von D-Zahnstangen aus einer massiven Stange. Anders als bei einer typischen Y-Zahnstange ist die Querschnittsfläche des gezahnten Bereichs einer typischen massiven D-Zahnstange kleiner als die Querschnittsfläche ihres Schafts vor der Tiefenbohrung. Dies bedeutet, dass eine typische D-Zahnstange nicht gratfrei aus einem Stangenmaterial mit konstantem Durchmesser geschmiedet werden kann. Diese Schwierigkeiten kann man überwinden, indem die D-Zahnstange aus einer massiven Stange mit einem kleineren Durchmesser in dem Bereich, in dem die Zähne geschmiedet werden, geschmiedet wird.
Eine beim Stand der Technik vorhandenen Lösung des Problems der Tiefenbohrung des Schafts von einer massiven Zahnstange ist eine ”Verbundzahnstange”, bei der ein massives, gezahntes Teil mit einem hohlen Schaft durch ein Verbindungsverfahren wie Schweißen verbunden ist. Verbundzahnstangen sind aber potentiell kostenbewirkend. Außerdem gibt es einen gewissen Marktwiderstand gegen eine Naht bei einer Lenkungszahnstange aufgrund von Sicherheitsbedenken.
Eine andere Alternative zum Tiefenbohren ist in der EP 0 445 470 B1 (Simon) offenbart, bei der ein Rohling für eine Steuerungszahnstange durch Extrusion aus einem kurzen Stück eines dickwandigen Rohrs hergestellt wird. Der sich daraus ergebende hohle Rohling hat einen dicken Wandbereich, in den die Zähne geschnitten werden, und einen dünneren Wandbereich für den Schaft. Dieses Verfahren zur Herstellung eines Rohlings ist jedoch für ein nachfolgendes Schmieden der Zähne ungeeignet und daher nicht für die Erzeugung von Zähnen mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis geeignet, da der hohle Bereich, in dem die Zähne geformt werden sollen, nicht für die oben beschriebenen Schmiedeverfahren geeignet ist. Die DE 19901425 A1 (Umformtechnik Bauerle GmbH) offenbart ein anderes Verfahren zum Herstellen eines hohlen Rohlings mit einem verdickten Bereich, in den die Zähne geschnitten werden, aber auch dies ist nicht für die Herstellung von geschmiedeten Zähnen geeignet.
Zahlreiche Versuche wurden unternommen, um Zahnstangen durch Formen von Rohrmaterial herzustellen. Keines dieser Verfahren wurde jedoch weit verbreitet bei der Massenproduktion eingesetzt. Ein besonderes Problem mit der Herstellung von Zahnstangen unmittelbar aus Rohrmaterial besteht darin, dass keine Zähne auf dem Rohr geschmiedet werden können, wenn die Bohrung des Rohrs nicht gegen Zusammendrücken abgestützt wird. Ferner muss das Rohrmaterial eine hinreichende Wandstärke haben, um darauf Zähne ausbilden zu können, was zu einer Rohrdicke führen kann, die unnotwendig dick für den Schaft der Zahnstange ist und daher die Zahnstange insgesamt schwerer als notwendig wird. Es wurden Schmiedeverfahren vorgeschlagen, bei denen eine entnehmbare Spindel in die Bohrung des Rohrmaterials während des Schmiedens der Zahne eingesetzt wird. Aber auch diese Verfahren weisen eine Anzahl von Schwierigkeiten auf. So ist es schwierig, die Spindel nach dem Schmieden zu entfernen und außerdem muss das Material um die starre Spindel fließen.
Ein weiteres Verfahren zum Formen einer Lenkungszahnstange direkt aus einem Rohr umfasst zunächst das Abflachen einer Seite des Rohrs, dann das Einstecken einer Reihe von Spindeln durch das abgeflachte Rohr, so dass es nach außen in ein Gesenk gedrückt wird, um die Zähne zu bilden. Ein solches Verfahren ist in der EP 0 572 105 B1 (Tube Forming Co Ltd) beschrieben. Dieses Verfahren leidet jedoch unter der Einschränkung, dass das Rohr eine hinreichende Dicke haben muss, um die Zähne zu formen. Ferner ist es ein verhältnismäßig langsamer Prozess und er ist nicht gut geeignet, um Zähne mit veränderlichem Ubersetzungsverhältnis zu bilden, die große Verhältnisänderungen haben. Ein Verfahren zum Schmieden der Zähne einer Zahnstange auf dem Rohrmaterial ist in der JP 57-195960A (Jidosha Kiki Co Ltd) beschrieben, wobei ein massives längliches Teil in die Bohrung eines Stützrohrmaterial vor dem Schmieden eingebracht wird. Das massive längliche Teil stützt die Bohrung des Rohrs während des Schmiedens und wird in dem Rohr als Teil der fertigen Lenkungszahnstange gehalten. Das offenbarte Verfahren ergibt geschmiedete Zahne auf dem Rohrmaterial mit einer konstanten Wandstärke. Dies bedeutet, dass die Wandstärke hinreichend sein muss, um Zähne darauf zu formen und es muss daher dicker als für den Schaft der Zahnstange erforderlich sein, was zu einer Zahnstange führt, die schwerer als erforderlich ist. Ferner kann das massive längliche Teil nicht für zusätzliche Festigkeit und zum Halten der auf dem Rohr geschmiedeten Zahne herangezogen werden. Dies ist deswegen der Fall, weil das geschmiedete Rohr und das längliche Teil keine wesentlichen Scherkräfte übertragen können. Die Offenbarung in dieser Veröffentlichung zeigt, dass die auf dem Rohr geschmiedeten Zähne einen konstanten Außendurchmesser haben und es ist daher nicht klar, wie die zusammengefasste Querschnittsfläche des Rohrs und des massiven länglichen Teils auf die der dargestellten fertigen D-Zahnstange reduziert werden kann. Ein ähnliches Verfahren ist in der JP 2000-016310 A (Kayaba Industry Co Ltd) offenbart. In dieser Offenbarung hat die längliche Spindel eine Abflachung an einer Seite, um die Reduzierung im Querschnittsbereich aufzunehmen, die in dem gezahnten Bereich erforderlich ist, aber sie löst noch nicht das Problem, dass das Rohrmaterial mit konstanter Wandstärke, das bei diesem offenbarten Verfahren gezeigt wird, eine hinreichende Wandstärke haben muss, um Zähne über seine gesamte Länge zu formen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange zu schaffen, welches die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Zusammenfassung der Erfindung
In einer ersten Hinsicht besteht die vorliegende Erfindung aus einem Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange für ein Fahrzeug-Zahnstangenlenkungssystem, wobei die Zahnstange Zähne und einen Schaft aufweist, der Schaft einen konstanten Außendurchmesser und eine konstante Wandstärke über den größten Teil seiner Länge hat, das Verfahren das Durchführen eines Schmiedevorgangs auf einem rohrförmigen Teil umfasst, wobei ein längliches Teil in die Bohrung eines ersten Bereichs des rohrförmigen Teils eingesetzt ist, wobei der Schmiedevorgang die Zähne in dem ersten Bereich bildet, wobei das längliche Teil in dem rohrförmigen Teil gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schmiedevorgang das rohrförmige Teil durch einen Formvorgang an einem Stück Rohrmaterial derart hergestellt wird, dass der Außendurchmesser des ersten Bereichs kleiner als der konstante Außendurchmesser des Schafts ist, und wobei die Wandstärke des ersten Bereichs größer als die konstante Wandstärke des Schafts ist.
Vorzugsweise hat das rohrförmige Teil zumindest einen verdickten Bereich benachbart zu dem ersten Bereich, wobei zumindest ein Teil des Außendurchmessers des verdickten Bereichs im Wesentlichen nicht wie der konstante Außendurchmesser des Schafts ist, und wobei mindestens ein Teil des Bohrungsdurchmessers des verdickten Bereichs im Wesentlichen gleich wie der Bohrungsdurchmesser des ersten Bereichs ist, während das längliche Teil den verdickten Bereich zumindest teilweise axial uberlappt. Vorzugsweise umfasst der mindestens eine verdickte Bereich zwei verdickte Bereiche benachbart zu gegenüberliegenden Enden von dem ersten Bereich.
Vorzugsweise ist ein Teil der Bohrung des verdickten Bereichs kleiner im Durchmesser als das längliche Teil, wodurch das längliche Teil wahrend des Schmiedevorgangs axial gehalten wird.
Vorzugsweise wird eine Sackbohrung in einem Ende des länglichen Teils vorgeformt und anschließend an den Schmiedevorgang wird eine Entlüftungsbohrung durch die Wand des rohrförmigen Teils in das längliche Teil gebohrt, so dass sie mit der Sackbohrung in Verbindung steht, um einen Entlüftungskanal zu bilden.
Vorzugsweise ist der Formvorgang ein Druck- oder Knetvorgang. Vorzugsweise wird der erste Bereich wahrend des Druck- oder Knetvorgangs axial zusammengedruckt. (Anmerkung: ”Drucken” bzw. ”Kneten” werden synonym verwendet für ”swaging”) In einer bevorzugten Ausführungsform wird das längliche Teil in die Bohrung des rohrförmigen Teils vor dem Drückvorgang eingesetzt und der erste Bereich wird auf das längliche Teil gedruckt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird während des Drückvorgangs der erste Bereich auf einen entfernbaren und wieder verwendbaren Drückdorn gedrückt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Außendurchmesser der im Wesentlichen gesamten Lange des rohrförmigen Materials durch den Formvorgang reduziert.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform wird das längliche Teil in die Bohrung des ersten Bereichs nach dem Formvorgang eingesetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das längliche Teil ein Schiebesitz in der Bohrung des ersten Bereichs. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das längliche Teil in die Bohrung des ersten Bereichs durch Erwärmen des ersten Bereichs zu dessen Erweiterung positioniert, worauf das längliche Teil in die Bohrung des ersten Bereichs eingesetzt wird, und dann wird der erste Bereich gekühlt, um das längliche Teil durch einen Schrumpfsitz in Position zu halten.
Vorzugsweise ist das längliche Teil massiv und im Wesentlichen zylindrisch mit einem Durchmesser, der im Wesentlichen gleich wie die Bohrung des ersten Bereichs ist.
Vorzugsweise wird der verdickte Bereich durch einen Stauchvorgang hergestellt. Vorzugsweise wird der Stauchvorgang durchgeführt, nachdem der erste Bereich geformt worden ist und wobei das längliche Teil in die Bohrung des ersten Bereichs eingesetzt wurde.
Vorzugsweise wird der verdickte Bereich während des Schmiedevorgangs eingespannt gehalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform leistet eine Schmiedespindel, die sich durch die Bohrung des rohrförmigen Teils wahrend des Schmiedevorgangs erstreckt, dem langlichen Teil Widerstand gegenüber axialer Extrusion.
Vorzugsweise ist der Schmiedevorgang ein Warmschmiedevorgang.
Vorzugsweise ist die Lenkzahnstange eine D-Zahnstange.
Vorzugsweise bildet ein Teil des rohrförmigen Teils den Schaft und der Schaft hat einen Bereich von erhöhter Wandstärke, der in seinen Außendurchmesser eine Nut eingeformt hat, die geeignet ist, einen Kolben festzulegen.
Vorzugsweise hat ein Ende des rohrformigen Teils einen Bereich von erhöhter Wandstärke, in die ein Innengewinde eingeschnitten wird, wobei das Gewinde geeignet ist, um eine Verbindungsstange anzuschließen.
In einer zweiten Hinsicht besteht die Erfindung aus einer Lenkungszahnstange für ein Fahrzeug-Lenkungsgetriebe, das nach einem der obigen Verfahren hergestellt ist.
In einer dritten Hinsicht besteht die Erfindung aus einer Lenkungszahnstange für ein Fahrzeug-Lenkungsgetriebe mit einem rohrformigen Teil, der einen gezahnten Bereich hat, die durch einen Schmiedevorgang gebildet wurden, wobei ein langliches Teil in die Bohrung des rohrförmigen Teils vor dem Schmiedevorgang eingesetzt ist, wobei der gezahnte Abschnitt axial zwischen den Enden des langlichen Teils liegt, und wobei ein Schaft mit einem konstanten Außendurchmesser und einer konstanten Wandstärke sich über den größten Teil seiner Länge erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der gezahnte Bereich auf einem Teil des rohrförmigen Teils gebildet ist, der einen kleineren Außendurchmesser als der konstante Außendurchmesser des Schafts ist und eine Wandstarke, die größer als die konstante Wandstärke des Schafts ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Lenkungszahnstange gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Stück Rohr, das zur Herstellung einer Lenkungszahnstange gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
3 zeigt ein geformtes rohrförmiges Teil, das durch Formen des Rohrstücks nach 2 geformt ist.
4 zeigt das geformte rohrförmige Teil von 3 mit einem darin eingesetzten massiven länglichen Teil.
5 zeigt ein gestauchtes und geformtes rohrförmiges Teil, das durch Stauchen des geformten rohrförmigen Teils von 4 hergestellt ist.
6 zeigt eine Lenkungszahnstange, die aus dem gestauchten und geformten rohrförmigen Teil von 5 hergestellt ist.
7 zeigt eine Schmiedespindel, die in die Bohrung des rohrförmigen Teils von 5 eingesetzt ist.
8 ist ein Querschnitt durch VIII-VIII des gezahnten Bereichs der geschmiedeten Lenkungszahnstange von 5.
9 zeigt eine fertige Lenkungszahnstange, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
10 zeigt eine Lenkungszahnstange, die nach einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens hergestellt ist.
11 zeigt ein gestauchtes und geformtes rohrformiges Teil nach einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beste Ausführungsart der Erfindung
1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange 19b, die in 9 dargestellt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung mit den Schritten 1 bis 6. Die Lenkungszahnstange 19b umfasst Getriebezähne 20 und einen rohrförmigen Schaft 32. Der Schaft 32 hat einen konstanten Außendurchmesser 33 und eine konstante Wandstarke 34 über den größten Teil seiner Länge.
Schritt 1 umfasst das Scahaffen eines Stücks von Rohrmaterial 10a, wie es in 2 dargestellt ist, mit einem konstanten Außendurchmesser, der im Wesentlichen gleich wie der Außendurchmesser 33 des Schafts 32 ist, und mit einer konstanten Wandstärke, die im Wesentlichen gleich wie die Wandstärke 34 des Schafts 32 ist.
Der Schritt 2 umfasst die Durchführung eines ersten Formvorgangs auf dem Rohrmaterial 10a zur Bildung eines geformten rohrförmigen Teils 10b, wie es 3 gezeigt ist. Das geformte rohrförmige Teil 10b hat einen Bereich 11 von vergrößerter Wandstarke 36, reduziertem Bohrungsdurchmesser 37 und einem reduzierten Außendurchmesser 35, der durch den Formschritt gebildet ist. Der Außendurchmesser 35 des Bereichs 11 ist kleiner als der Außendurchmesser 33 des Schafts 32, und die Wandstärke 36 des Bereichs 11 ist großer als die Wandstärke 34 des Schafts 32. Vorzugsweise ist der Formvorgang ein Formrundkneten, und vorzugsweise wird das Rundkneten kalt durchgeführt. Der Formvorgang kann das Kneten allein umfassen, aber bei dieser Ausführungsform wird der Bereich 11 außerdem einem Stauchvorgang unterworfen, wodurch der Bereich 11 während des Knetens axial zusammengedruckt wird, um seine Wandstärke weiter zu vergrößern uber diejenige hinaus, die durch die Reduzierung des Außendurchmessers bei dem Knetvorgang auf natürliche Weise erhalten wird. Wenn der Bereich 11 während des Knetvorgangs axial zusammengedrückt wird, dann kann es sein, dass der Bereich 11 lokal erwärmt werden muss, um diese zusätzliche Verformung in gesteuerter Weise zuzulassen. Das axiale Zusammendrucken des Bereichs 11 führt zu einem geformte rohrförmigen Teil 10b, das kurzer als das Rohrmaterial 10a ist. Vorzugsweise wird der Bereich 11 auf einer entfernbaren und wiederverwendbaren, präzisionsgefertigten gehärteten Stahlspindel derart geknetet oder gedruckt, dass der Durchmesser der Bohrung des Bereichs 11 genau gesteuert wird. Formrundkneten ist beim Stand der Technik gut bekannt fur die Bildung von rohrförmigen Bauteilen. Die Wandstärke und der Durchmesser des rohrförmigen Teils 10b, der benachbart zu jedem Endbereich 11 ist, geht in das Rohrmaterial 10a über.
Alternativ kann der Formvorgang, der verwendet wird, um den Bereich 11 von vergrößerter Wandstärke und reduziertem Bohrungsdurchmesser zu bilden, einen Stauchvorgang allein umfassen, der entweder heiss oder kalt durchgeführt wird. In einer anderen Ausfuhrungsform kann der Formvorgang eine Folge von Knet- und Stauchoperationen umfassen. So kann beispielsweise das Rohrmaterial 10a zuerst gestaucht werden, um einen Bereich von vergroßerter Wandstärke und reduziertem Bohrungsdurchmesser zu bilden, wobei sein Außendurchmesser gleich wie das Rohrmaterial 10a bleibt, und anschließend wird dieser Bereich formrundgeknetet, um seinen Außendurchmesser zu reduzieren.
Schritt 3 umfasst das Positionieren eines massiven länglichen Teils 12 in Form des Stucks von einer massiven zylindrischen Stahlstange in der Bohrung des Bereichs 11 des geformten rohrförmigen Teils 10b, wie dies in 4 gezeigt ist. Der Durchmesser des länglichen Teils 12 ist im Wesentlichen gleich wie der Bohrungsdurchmesser 37 des Bereichs 11. Vorzugsweise ist das längliche Teil 12 so bemessen, dass es einen kleinen Übergang zu der Bohrung des Bereichs 11 in der Weise hat, dass ein Schiebesitz in die Bohrung des Bereichs 11 vorliegt. Dies hält die Position des langlichen Teils 12 während nachfolgender Operationen aufrecht. Alternativ kann das längliche Teil 12 in die Bohrung des Bereichs 11 durch Erwärmen des Bereichs 11 zu dessen Ausdehnung eingeschrumpft werden, durch Einsetzen des langlichen Teils 12 und dann Abkühlen des Bereichs 11. Das längliche Teil 12 ist länger als der Bereich 11 und ist so positioniert, dass seine Enden 13, 14 über den Bereich 11 hinausragen. Vorzugsweise wird das längliche Teil 12 aus einem Stahl mit der gleichen Güte wie das Rohrmaterial 10a hergestellt, um die Anfälligkeit für Korrosion zu minimieren, die darauf zurückzuführen ist, dass unähnliche Metalle einander kontaktieren.
Schritt 4 umfasst das Durchführen eines zweiten Formvorgangs durch einen Stauchvorgang an dem rohrförmigen Teil 10b, um ein gestauchtes und geformtes rohrformiges Teil 10c gemaß 5 herzustellen, das verdickte Bereiche 15, 16, 17 und 18 von erhöhter Wandstärke und reduziertem Bohrungsdurchmesser hat. Der Außendurchmesser dieser Bereiche wird nicht wesentlich verändert durch den Stauchvorgang und das rohrförmige Teil 10b wird lokal erwarmt durch Induktion an diesen Gebieten, um sie stauchen zu können. Derartige Stauchvorgange sind beim Stand der Technik fur die Bildung von rohrförmigen Bauteilen bekannt.
Die verdickten Gebiete 15 und 16 sind benachbart zu gegenüberliegenden Enden des Gebiets 11 und jedes dieser Gebiete wird so gestaucht, dass sein Bohrungsdurchmesser gegenüber dem Bohrungsdurchmesser des Bereichs 11 reduziert ist, was im Wesentlichen gleich wie der Außendurchmesser des länglichen Teils 12 ist. Der Außendurchmesser der verdickten Bereiche 15 und 16 ist im Wesentlichen der gleiche wie der Außendurchmesser 33 des Schafts 32. Das langliche Teil 12 überlappt die verdickten Bereiche 15 und 16 in axialer Richtung. Das lokale Erwärmen der Gebiete 15 und 16 vor dem Stauchen kann einen Ubergangssitz zwischen diesen Bereichen und dem länglichen Teil 12 schaffen, weil diese Gebiete nach dem Stauchen durch Kühlen schrumpfen. Dieser Übergang kann helfen, das längliche Teil 12 während des nachfolgenden Schmiedevorgangs zu halten. Der verdickte Bereich liegt an dem gegenüberliegenden Ende des rohrförmigen Teils 10c zum verdickten Bereich 15, und der verdickte Bereich 17 liegt etwa in der Mitte zwischen den verdickten Bereichen 16 und 18. Dieser zweite Formungsvorgang kann alternativ andere Formverfahren wie Kneten umfassen.
Schritt 5 umfasst das Schmieden des rohrförmigen Teils 10c, wobei das längliche Teil 12 in dieses eingesetzt ist, um eine geschmiedete Lenkungszahnstane 19a gemäß 6 herzustellen. Die Zahnstange 19a ist eine D-Zahnstange. Der Bereich 11 und das längliche Teil 12 werden auf eine Temperatur erwärmt, die zum Warmschmieden geeignet ist, und dann wird der Bereich 11 in einer geeigneten Gesenkvorrichtung stoßfrei warmgeschmiedet, um darauf die Zähne 20 auszubilden. Das stoßfreie Warmschmieden kann mit einer Vorrichtung durchgeführt werden, wie sie in der WO 2005/053875 A1 (Bishop Innovation Limited) offenbart ist. Das Warmschmieden wird typischerweise so durchgeführt, dass das Bauteil auf 500°C bis 900°C erwärmt wird. Vorzugsweise spannt die Gesenkvorrichtung die verdickten Bereiche 15 und 16 während des Schmiedevorgangs fest ein, um eine axiale Verlängerung des länglichen Teils 12 zu verhindern und um das rohrförmige Teil 10c richtig zu halten. Vor dem Schmiedevorgang kann der Außendurchmesser des Bereichs 11b durch einen Bearbeitungsvorgang wie Schleifen oder Drehen auf Maß gebracht werden. Um das längliche Teil 12 gegen axiale Verlängerung wahrend des Schmiedevorgangs zu halten, kann eine entfernbare Schmiedespindel 21 gemäß 7 in die Bohrung des rohrformigen Teils 10c eingebracht und gegen das Ende 14 des länglichen Teils 12 während des Schmiedevorgangs gedrückt werden.
Die Bohrung des geschmiedeten rohrförmigen Teils 10d unter den Zähnen 20 wird durch den Schmiedevorgang derart verformt, dass die Abschnitte der Bohrung unter den Wurzeln der Zähne 20 sich weiter nach innen verformen als die Abschnitte der Bohrung unter den Spitzen der Zähne 20, so dass sich ein flaches Rillenmuster 22 gemäß 6 ergibt. Ein entsprechendes Rillenmuster bildet sich auch auf dem verformten länglichen Teil 12, wodurch ein dauerhaftes Halten des länglichen Teils 12 im Inneren des geschmiedeten rohrförmigen Teils 10e unterstützt wird.
8 zeigt einen Querschnitt durch den gezahnten Bereich der geschmiedeten Lenkungszahnstange 19a. Das längliche Teil 12 wurde durch das Schmieden abgeflacht, was das Beibehalten einer richtigen Wandstärke 23 unter den Zähnen 20 unterstützt, um zu gewährleisten, dass die Zähne 20 eine hinreichende Festigkeit haben. Die Kombination von Bereich 11 und länglichem Teil 12 verhält sich in einer ahnlichen Weise während des Schmiedevorgangs wie ein äquivalente einzelne, massive Stange. Langliche Einprägungen 24, die an jeder Seite des gezahnten Bereichs verlaufen, werden als Folge der Verwendung einer Gesenkvorrichtung gebildet, wie sie in WO 2005/053875 A1 (Bishop Innovation Limited) offenbart ist. Der Schmiedevorgang kann andere Arten von Gesenkvorrichtungen verwenden, die nicht zu Einpragungen 24 führen oder die unterschiedlich gezahnte Querschnittsbereiche erzeugen.
Es wird darauf hingewiesen, dass es der verdickte Bereich 11 ist, der durch den Formvorgang erzeugt wird, und der es erlaubt, dass Zähne 20 von hinreichender Größe und Festigkeit geschmiedet werden. Wenn eine Zahnstange von einem Rohr mit konstanter Wandstärke geschmiedet wurde, dann müsste seine gesamte Länge die Wandstarke des Bereichs 11 haben, was zu einer unnotwendig schweren Zahnstange fuhrt.
9 zeigt eine fertige Zahnstange 19b, die durch verschiedene Bearbeitungsverfahren an einer geschmiedeten Zahnstange 19a erzeugt wurde. Das Ende des länglichen Teils 12, das sich in den verdickten Bereich 15 erstreckt, ist teilweise aufgebohrt und ein Innengewinde 25 ist in die Bohrung des Bereichs 15 zum Anbringen einer Verbindungsstange geschnitten. Das Ende des langlichen Teils 12, das sich in den verdickten Bereich 16 erstreckt, ist aufgebohrt, um einen Entlüftungskanal zwischen einer Entluftungsbohrung 26, die durch die Wand des geschmiedeten rohrförmigen Teils 10b gebohrt ist, und der Bohrung des Schafts 32 der Zahnstange 19b zu bilden. Der verdickte Bereich 17 liegt etwa mittig zwischen dem Abschnitt des rohrförmigen Teils 10d, der den Schaft 32 bildet. Zwei Umfangsnuten sind in die Außenseite des verdickten Bereichs 17 eingearbeitet und so gestaltet, um einen Hydraulikkolben zu halten. Ein Innengewinde 28 ist in die Bohrung des verdickten Bereichs 18 eingearbeitet, am Ende des rohrförmigen Teils 10d, zum Anbringen einer Verbindungsstange. Das Vorsehen von verdickten Bereichen 15, 17 und 18 an Stellen, an denen Merkmale auf der Zahnstange 19b ausgearbeitet sein müssen, minimiert die erforderliche Wandstarke des Rohrmaterials 10a und minimiert somit auch das Gewicht der Zahnstange 19b. Das örtliche Verdicken, das durch diese Gebiete gebildet ist, bedeutet, dass die darauf ausgearbeiteten Merkmale die Zahnstange 19b örtlich nicht schwachen.
10 zeigt eine Lenkungszahnstange, die nach einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens hergestellt ist. Die fertige Lenkungszahnstange 19c ist die gleiche wie die in 9 dargestellte, jedoch mit der Ausnahme, dass das Ende des massiven länglichen Teils 12a, das dem Schaft der Zahnstange 19c zugewandt ist, eine vorgeformte Sackbohrung 29 hat. Die Bohrung 29 wird in das Ende des länglichen Teils 12a gebohrt, bevor es in die Bohrung des geformten rohrförmigen Teils 10b eingesetzt wird. Die Bohrung 29 ist klein genug im Durchmesser, so dass sie wahrend des Schmiedens nicht zusammenfallt. Nach dem Schmieden wird eine Entlüftungsbohrung 26a durch die Wand des rohrförmigen Teils 10d in das längliche Teil 12a derart gebohrt, dass sie die Bohrung 29 schneidet und mit dieser kommuniziert, um einen Entlüftungskanal zu bilden.
11 zeigt ein gestauchtes und geformtes rohrförmiges Teil nach einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens. Das gestauchte und geformte rohrförmige Teil 10e ist das gleiche wie das gestauchte und geformte rohrförmige 10c nach 5 mit der Ausnahme, dass sich der verdickte Bereich 16a über das Ende 14 des länglichen Teils 12 hinaus erstreckt, und das während des Stauchvorgangs ein Teil 30 der Bohrung des verdickten Bereichs 16a um ein Ende 14 des länglichen Teils 12 gestaucht wird. Der Innendurchmesser des Bereichs 30 ist kleiner als der Außendurchmesser des länglichen Teils 12 und daher hält der Abschnitt 30 das längliche Teil 12 während des nachfolgenden Schmiedevorgangs in axialer Richtung fest, wodurch das Bedürfnis nach einer entfernbaren Schmiedespindel zum Halten des Endes des länglichen Teils 12 reduziert wird.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann das langliche Teil 12 in die Bohrung des Rohrmaterials 10a vor dem Knetvorgang nach Schritt 2 eingesetzt werden, anstelle danach. Das längliche Teil wird dann in dem rohrförmigen Teil für nachfolgende Operationen gehalten. Das längliche Teil kann im Durchmesser kleiner sein als die Bohrung des rohrförmigen Materials, in welchem Fall das rohrförmige Material auf das langlichen Teil 12 gedrückt oder geknetet wird, das in dem Fall als Spindel für den Knetvorgang wirkt. Andererseits kann das längliche Teil anfangs den gleichen Durchmesser wie die Bohrung des rohrförmigen Materials haben, in welchem Fall die Querschnittsfläche des länglichen Teils während des Knetvorgangs auch reduziert wird und die Länge des gekneteten Bereichs wahrend des Knetens zunimmt. Wenn man jedoch mit einem langlichen Teil beginnt, das den gleichen Durchmesser wie die Bohrung des rohrförmigen Materials hat, dann hat dies den Nachteil, dass die Größe der Wandstärkenzunahme des Rohrmaterials, die während des Knetens auftritt, vermindert wird. Der Vorteil des Beginns mit einem länglichen Teil mit dem gleichen Durchmesser wie die Bohrung besteht darin, dass das längliche Teil vor dem Knetvorgang leichter in dem Rohrmaterial positioniert und gehalten werden kann.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann der Außendurchmesser des Rohrmaterials 10a größer als der Schaftdurchmesser der fertigen Zahnstange sein. In diesem Fall wird der Außendurchmesser der gesamten Länge von Rohrmaterial 10a während des Knetvorgangs des Schritts 2 reduziert, wobei der Außendurchmesser des Bereichs 11 starker verringert wird, als der Rest des Rohrmaterials 10a.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform können der Formvorgang nach Schritt 2 und der Stauchvorgang nach Schritt 4 zu einem einzigen Formvorgang an dem Rohrmaterial 10a zusammengefasst werden, wodurch sowohl der verdickte Bereich 11 als auch die verdickten Bereiche 15, 16, 17 und 18 durch einen einzigen Formrundknetvorgang geformt werden. In diesem Fall wird das längliche Teil 12 nach dem kombinierten Formschritt in das rohrformige Teil eingesetzt.
Der Ausdruck ”umfassend”, wie er hierin verwendet wird, ist auch gemeint im Sinne von ”einschließend” oder ”mit” und nicht ausschließlich im Sinne von ”lediglich bestehend aus”.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) für ein Fahrzeug-Zahnstangenlenkungssystem, wobei die Zahnstange (19a, 19b, 19c) Getriebezähne (20) und einen Schaft (32) aufweist, wobei der Schaft (32) einen konstanten Außendurchmesser (33) und eine konstante Wandstärke (34) über den größten Teil seiner Länge hat, wobei das Verfahren das Durchführen eines Schmiedevorgangs an einem rohrförmigen Teil (10b, 10c, 10e) umfasst, bei dem ein längliches Teil (12, 12a) in die Bohrung eines ersten Bereichs (11) des rohrförmigen Teils (10b, 10c, 10e) eingesetzt ist; wobei der Schmiedevorgang die Getriebezähne (20) auf dem ersten Bereich (11) formt und dadurch das längliche Teil (12, 12a) in dem rohrförmigen Teil (10d) gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schmiedevorgang das rohrförmige Teil (10b, 10c, 10e) hergestellt wird, indem ein Formvorgang an einem Rohrstück (10a) derart durchgeführt wird, dass der Außendurchmesser (35) des ersten Bereichs (11) kleiner als der konstante Außendurchmesser (33) des Schafts (32) ist, und dass die Wandstärke (36) des ersten Bereichs (11) größer als die konstante Wandstärke (34) des Schafts (32) ist.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 1, wobei das rohrförmige Teil (10c, 10d, 10e) mindestens einen verdickten Bereich (15, 16) benachbart zu dem ersten Bereich (11) hat, mindestens ein Bereich des Außendurchmessers des verdickten Bereichs (15, 16) im Wesentlichen gleich wie der konstante Außendurchmesser (33) des Schafts (32) ist, und wobei mindestens ein Teil des Bohrungsdurchmessers des verdickten Bereichs (15, 16) im Wesentlichen gleich wie der Bohrungsdurchmesser des ersten Bereichs (11) ist, wobei das längliche Teil (12) den verdickten Bereich (15, 16) zumindest teilweise axial überlappt.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine verdickte Bereich (15, 16) zwei verdickte Bereiche (15, 16) benachbart zu gegenüberliegenden Enden des ersten Bereichs (11) umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 2, wobei ein Teil der Bohrung des verdickten Bereichs (16a) kleiner im Durchmesser ist als das längliche Teil (12), wodurch das längliche Teil (12) während des Schmiedevorgangs axial festgehalten wird.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19c) nach Anspruch 1, wobei eine Sackbohrung (29) in einem Ende des länglichen Teils (12a) vorgeformt wird und anschließend an den Schmiedevorgang eine Entlüftungsbohrung (26a) durch die Wand des rohrförmigen Teils (10d) in das längliche Teil (12a) derart gebohrt wird, dass sie mit dem Sackloch in Verbindung steht, um einen Entlüftungskanal zu bilden.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 1, wobei der Formvorgang ein Knetvorgang ist.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 6, wobei der erste Bereich (11) bei dem Knetvorgang axial zusammengedrückt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 6, wobei das längliche Teil (12) in die Bohrung des rohrförmigen Teils (10a) vor dem Knetvorgang eingesetzt wird und der erste Bereich (11) auf das längliche Teil (12) geknetet wird.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 6, wobei während des Knetvorgangs der erste Bereich (11) auf eine entfernbare und wiederverwendbare Knetspindel geknetet wird.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange nach Anspruch 1, wobei der Außendurchmesser (33) über im Wesentlichen die gesamte Länge des Rohrstücks (10a) durch den Formvorgang reduziert wird.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 1, wobei das längliche Teil (12, 12a) in die Bohrung des ersten Bereichs (11) nach dem Formvorgang eingesetzt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 11, wobei das längliche Teil (12, 12a) ein Schiebesitz in der Bohrung des ersten Bereichs (11) ist.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 11, wobei das längliche Teil (12, 12a) in die Bohrung des ersten Bereichs (11) durch Erwärmen des ersten Bereichs (11) zu dessen Aufweitung eingesetzt wird, das längliche Teil (12, 12a) in die Bohrung des ersten Bereichs (11) eingesetzt wird, anschließend der erste Bereich (11) gekühlt wird, um das längliche Teil (12 12a) durch Schrumpfsitz in Position zu halten.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange nach Anspruch 1, wobei das längliche Teil (12, 12a) massiv und im Wesentlichen zylindrisch mit einem Durchmesser ist, der im Wesentlichen gleich wie der der Bohrung des ersten Bereichs (11) ist.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 2, wobei der verdickte Bereich (15, 16, 17, 18) durch einen Stauchvorgang hergestellt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 15, wobei der Stauchvorgang durch geführt wird, nachdem der erste Bereich (11) geformt wurde und wobei das längliche Teil (12, 12a) in die Bohrung des ersten Bereichs (11) eingesetzt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 2, wobei während des Schmiedevorgangs der verdickte Bereich (15, 16) eingespannt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 1, wobei während des Schmiedevorgangs eine Schmiedespindel (21) durch die Bohrung des rohrförmigen Teils (10c) verläuft und einer axialen Verlängerung des länglichen Teils (12) entgegenwirkt.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) nach Anspruch 1, wobei der Schmiedevorgang ein Warmschmiedevorgang ist.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19a) nach Anspruch 1, wobei die Lenkungszahnstange (19a) eine D-Zahnstange ist.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19b) nach Anspruch 1, wobei ein Teil des rohrförmigen Teils (10d) den Schaft (32) bildet und wobei der Schaft (32) einen Bereich (17) von vergrößerter Wandstärke hat, in die eine Nut in ihren Außendurchmesser eingearbeitet ist, um einen Kolben festzulegen.
Verfahren zum Herstellen einer Lenkungszahnstange (19b) nach Anspruch 1, wobei ein Ende des rohrförmigen Teils (10d) einen Bereich (18) von vergrößerter Wandstärke hat, in die ein Innengewinde (28) eingearbeitet wird, wobei das Gewinde (28) geeignet ist, eine Verbindungsstange einzuschließen.
Lenkungszahnstange (19a, 19b, 19c) für ein Fahrzeug-Zahnstangenlenkungs system, die nach einem der Ansprüche 1 bis 22 hergestellt ist.