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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Kraftfahrzeug-Lenkungszahnstangen
und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf die Herstellung
von Lenkungszahnstangen mit variabler Lenkübersetzung. Der Prozess und
die konstruktive Gestaltung der Herstellungsausrüstung werden offenbart, wenn
auf damit in Beziehung stehende Zahnstangengestaltungen Bezug genommen wird,
die besondere funktionelle Vorteile im Vergleich mit denen des Standes
der Technik aufweisen (siehe zum Beispiel GB-A-2108026).
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Stand der
Technik
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Zahnstangen
weisen normalerweise eine runde Stange auf, mit Zähnen, die
an einem „verzahnten
Ende" spanend bearbeitet
oder geformt sind, wobei der restliche, nicht verzahnte Bereich
als ein „Schaftende" bezeichnet wird.
Zahnstangen mit variabler Übersetzung,
wie sie in dem US-Patent 3,753,378 beschrieben sind, haben Zähne mit
variierendem Querschnitt und variierendem Schrägstellungswinkel in Bezug auf
die Längsachse
der Zahnstange, sowie eine variierende Zahnteilung. Das Ritzel,
das mit der Zahnstange eingreift, ist normalerweise schrägverzahnt
und ist in dem Lenkgetriebe unter einem schrägen Winkel zu der Senkrechten
auf die Längsachse
der Zahnstange installiert, der nachfolgend als „Ritzel-Installationswinkel" bezeichnet wird.
Für Zahnstangen
mit variablem Übersetzungsverhältnis sind
die Zähne
an dem verzahnten Ende der Zahnstange normalerweise symmetrisch
um einen Mittelpunkt angeordnet, wobei dieser Mittel bereich der
Ritzeleingriffsstellung entspricht, wenn das Fahrzeug geradeaus
gelenkt wird.
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Die
Geometrie solcher Zähne
führt dazu, dass
Zahnstangen mit variablem Übersetzungsverhältnis durch
bekannte Zahnstangenherstellungsprozesse sehr schwierig spanend
zu bearbeiten sind und daher oft, trotz der hohen Präzision,
die für
einen ausreichenden Ritzeleingriff erforderlich ist, auf das Genauschmieden
zurückgegriffen
wird.
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Die
optimale Zahngeometrie solcher Zahnstangen variiert weitgehend entsprechend
den spezifischen Anforderungen an das Fahrzeug und in Abhängigkeit
davon, ob das Lenkgetriebe ein Servolenkgetriebe oder ein manuell
betätigtes
Getriebe ist. Gesehen im Querschnitt senkrecht zu der Längsachse
der Zahnstange sind die Zähne
häufig
in Richtung auf den Umfang der Stange derart positioniert, dass die
Biegefestigkeit an dem verzahnten Ende der Zahnstange minimal zu
der am Schaftende verringert ist.
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US-Patent
4,116,085 beschreibt eine Zahnstange, die an ihrem verzahnten Ende
einen Dreieckquerschnitt oder einen Y-Querschnitt aufweist, der
für Zahnstangen
mit variablem Übersetzungsverhältnis besonders
geeignet ist. Eine solche Zahnstange kann in Schmiedegesenken geformt
werden, wie sie in dem US.Patent 4,571,982 und in der Internationalen
Patentanmeldung PCT/AU94/00775 beschrieben sind, und sie ist in
dem Lenkgetriebe in einem V-förmigen
Zahnstangenlager abgestützt.
Diese Anordnung setzt dem Rollen der Zahnstange unter der Wirkung
der Zahneingriffskräfte,
wie es in dem US-Patent 4,116,085 beschrieben ist, Widerstand entgegen.
Ein zusätzlicher
Vorteil des vorher angeführten Y-Querschnitts
und des zugehörigen
Herstellungsprozesses ist der, dass die Querschnittsfläche des Y-Querschnitts (einschließlich der
mittleren Zahnhöhe
in dem verzahnten Bereich) so gestaltet werden kann, dass sie mit
der des runden Zahnstangenrohlings, aus dem die Zahnstange geschmiedet
wird, übereinstimmt,
wodurch Material gespart wird und die Gestaltung eines Gesenks ermöglicht wird,
in dem keine Gesenkfuge vorhanden ist. Diese Gesenkkonstruktion
ermöglicht
das Erreichen sehr hoher Formungsdrücke, so dass ein präzises Füllen der Zahnhohlräume des
Gesenks selbst dann erreicht werden kann, wenn das Formen bei relativ
niedrigen Temperaturen erfolgt, wobei das Letztere auch für das Vermeiden
von Verzundern förderlich
ist. Der Y-Querschnitt der Zahnstange hat über die Ecken einen größeren Durchmesser,
so dass seine Biegefestigkeit an dem verzahnten Ende etwa mit der
an dem Schaftende übereinstimmt.
Als geeignete Temperatur wurde etwa 700°C ermittelt (oft auch als "Warmschmieden" bezeichnet), im
Gegensatz zu der Temperatur von 1100°C, die normalerweise beim Heißschmieden
verwendet wird.
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Diese
Verwendung einer Konstruktion mit Y-Querschnitt hat sich bei Servolenkgetrieben
mit variablem Übersetzungsverhältnis als
höchst
vorteilhaft erwiesen, bei welchen eine große Veränderung der Lenkübersetzung
entsprechend den Fahrzeughandhabungskennwerten günstig ist und das führt dazu, dass
der Schrägstellungswinkel
einiger Zähne
groß ist.
Die Verwendung eines Y-Querschnitts
dient dazu, die Zahnstange unter dem Einfluss von Rollmomenten,
die durch die Ritzel-/Zahnstangenzahnkontaktkräfte, insbesondere die Querkomponente
dieser Kräfte,
durch das Vorliegen großer
Schrägstellungswinkel
verursacht werden, zu stabilisieren. Unter bestimmten Umständen, beispielsweise
wenn die Schrägstellungswinkel
relativ klein sind, zum Beispiel während der Einführungsphase
des variablen Übersetzungsverhältnisses
in ein spezielles Fahrzeugmodell, wo kleine Grade der Verhältnisänderung
verwendet werden können,
kann es jedoch erwünscht sein,
den herkömmlicheren
runden Querschnitt an dem verzahnten Ende der Zahnstange vorzusehen, so
dass die Zahnstange einen Querschnitt wie der Buchstabe "D" annimmt und die gekrümmte Rückseite
dieses Querschnitts einen Radius aufweist, der im Wesentlichen zu
dem Radius des Schaftendes des Stange konzentrisch ist. Diese Ausführung weist
für Servolenkgetriebe
einige Herstellungsvorteile gegenüber Zahnstangen mit Y-Querschnitt auf,
weil das verzahnte Ende der Stange durch die Innendichtung der Servolenkzylinders
montiert werden kann, nachdem der Kolben an dem Schaftende der Zahnstange befestigt
worden ist (eine Praxis, die im Fachgebiet der Herstellung von Servolenkgetrieben
gut bekannt ist). Weiterhin kann ein bogenförmig gekrümmtes Zahnstangenlager verwendet
werden und die gesamte Zahnstange kann durch einen spitzenlosen Durchgangs-Schleifprozess anstatt
durch alleiniges Einstechschleifen des Schaftendes fertiggeschliffen werden.
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Beim
Schmieden einer Zahnstange mit einem D-Querschnitt ist die Querschnittsfläche des verzahnten
Endes der Zahnstange kleiner als die des Schaftendes. Daraus folgt,
dass entweder der Zahnstangenrohling in dem Bereich, der später geschmiedet
werden soll, um das verzahnte Ende zu bilden, im Durchmesser verringert,
oder alternativ das überschüssige Metall
in Seitenkammern extrudiert werden muss, die an den Haupthohlraum
des Gesenks angrenzen, wodurch Vorsprünge gebildet werden, die nachfolgend
durch spanende Bearbeitung entfernt werden können. Beide Vorgehensweisen
ermöglichen
es, dass eine Servolenkungs-Zahnstange durch die Dichtung geführt und
durch spitzenloses Durchgangsschleifen bearbeitet werden kann. Die vorliegende
Erfindung ist auf eine Gesenkkonstruktion für das Schmieden einer Zahnstange
mit D-Querschnitt gerichtet, die solche Kammern verwendet. Die allgemeine
Ausgestaltung des zu beschreibenden Schmiedegesenks kann im Wesentlichen
dieselbe bleiben, wie die des in dem US-Patent 4,571,982 oder in der Internationalen
Patentanmeldung PCT/AU94/00775 beschriebenen Gesenks, insbesondere
hinsichtlich der Maßnahme,
den Zahnstangenrohling einzuspannen, um die erforderlichen Endeinspannungen
zu erzielen. Die Formungselemente, die in 4 der Beschreibung des letzteren der
vorher angeführten
Patente dargestellt sind, werden jedoch durch ein Paar gegenüberliegender
Gesenkblöcke
ersetzt, die einen Hohlraum aufweisen, der im Querschnitt der einen
oder der anderen Hälfte der
Zahnstange mit D-Querschnitt entspricht, jedoch die vorher angeführten Seitenkammern
enthält.
Das in dem US-Patent 4,571,982 offenbarte Schmiedegesenk stellt
auch robuste Keile zur Verfügung,
die in Kontakt kommen, wenn sich der obere und der untere Gesenkblock
einander nähern,
so dass die Gesenkblöc ke
in präziser
Ausrichtung gehalten werden.
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Bei
der Herstellung von Zahnstangen mit Y-Querschnitt durch Warmschmieden
sichern nun die sehr hohen Drücke,
die erreicht werden, dass die Zahnhohlräume des Gesenks präzise über im Wesentlichen
ihre gesamte Länge
auf den Bruchteil eines Millimeters der Zahnstangenzahnspitzen genau ausgefüllt werden.
Das ist besonders in dem Mittelpunktbereich der Zahnstangen mit
variablem Übersetzungsverhältnis wichtig,
die in Servo-Lenkgetrieben
verwendet werden, bei denen der Druckwinkel gering ist und der Zahnkontakt
mit dem Ritzel nur im Spitzenbereich in ein oder zwei Millimetern
der Zahnstangenzähne
erfolgt. Eine schlechte Füllung
des Gesenks führt
zu einer Verringerung der Gesamtlänge der Ritzel-Zahnstange-Eingriffskontaktlinien
und somit zu einer entsprechenden Reduzierung des effektiven Kontaktverhältnisses.
Bei einer Zahnstange mit D-Querschnitt, auf die sich die vorliegende
Erfindung bezieht, ist diese Kontaktlänge bereits im Vergleich mit
der für
Zahnstangen mit Y-Querschnitt wegen der vorher erwähnten schmaleren
Zahnstangenzähne
verringert. Die zu beschreibende einfache Anordnung von zwei Formungselementen
muss in der Lage sein, denselben sehr hohen Druck wie das den Y-Querschnitt
formende Gesenk zu erreichen.
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Eine
ausreichende Gesenkfüllung
kann als Meniskus oder Radius des geformten Metalls in dem Querschnitt
des verzahnten Hohlraums ausgedrückt werden,
wo, zum Beispiel, die Flanke des Zahnhohlraums auf den Boden des
Hohlraums trifft. Dieser Radius wird durch den hydrostatischen Druck
des geformten Metalls in dem Gesenkhohlraum bestimmt. Durch Erfahrung
ist ermittelt worden, dass dieser Druck in der Größenordnung
von 1100 MPa liegen sollte.
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Aus
diesem Grund ist die Zwei-Elemente-Gesenkkonstruktion, die in dem
UK-Patent 2088256 dargestellt ist (siehe 5 in der vorliegenden Beschreibung),
mit ihrem Vorsehen von „Gesenkgratbahnen" an jeder Seite der
oberen Gesenkkammer nicht aus führbar,
weil das Metall in diese Gratbahnen entweichen würde, bevor der gewünschte hydrostatische
Druck erreicht ist, insbesondere bei „Heißschmiede"-Temperaturen, die durch das Patent spezifiziert
sind. Gemäß dieser
dem Stand der Technik entsprechenden Patentbeschreibung folgt dem anfänglichen
Heißschmiedeprozess
in einem späteren
Stadium der Herstellung ein Kaltprägeprozess, wenn die endgültige Genauigkeit
der Form und der Zahnfüllung
erreicht ist. Ein solcher Zwei-Stufen-Prozess des Formens der präzisen Zahnstangenzähne kann
Falten oder andere Fehler in dem Material verursachen, wenn nicht
eine präzise
Kompensation für die
Temperaturveränderung
zwischen den Heißschmiede-
und Kaltprägestadien
erfolgt.
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Gleichermaßen würde die
Zwei-Elemente-Gesenkkonstruktion, die in dem UK-Patent 2108026 dargestellt
ist, mit ihrem Vorsehen eines Entlastungshohlraums, dessen Volumen
größer ist, als
das Volumen, das durch das verdrängte überschüssige Material
gefüllt
werden würde,
ebenfalls nicht ausführbar
sein, weil das Metall in den Entlastungshohlraum entweichen würde, bevor
der gewünschte
hydrostatische Druck erreicht ist, um die Zahnstangenzähne vollständig zu
formen.
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Gesenkgratbahnen
sind in herkömmlichen Schmiedegesenken
allgemein vorgesehen, um die Tatsache zu berücksichtigen, dass das für die Rohlinge
bei den Schmiedevorgängen
verwendete Ausgangsmaterial einer relativ weiten Veränderung
im Durchmesser ausgesetzt ist, während
in den in US-Patent 4,571,982 und in der Internationalen Patentanmeldung
PCT/AU94/00775 beschriebenen Prozessen der Rohling auf seinen Durchmesser
mit einer genauen Toleranz präzisionsgeschliffen
ist. Die Kammern an jeder Seite des Haupthohlraums des Gesenks haben
nur eine äußerliche Ähnlichkeit
mit den herkömmlichen
Gesenkgratbahnen und sind hauptsächlich
vorgesehen, um das „Quetschen" des Materials zu
verhindern, das unvermeidlich an der Schnittlinie zwischen sich
gegenseitig annähernden Vertiefungen
mit im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitten
auftritt. Auf andere Funktionen dieser Kammern wird in der vorliegenden
Beschreibung später
Be zug genommen. Somit sind diese Kammern vorhanden, unabhängig davon,
ob der Durchmesser des Rohlings an dem (noch auszubildenden) verzahnten
Ende verringert worden ist oder nicht.
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Damit
diese Kammern wirksam sind, müssen
sie während
der letzten Stadien des Schließens des
Gesenks einen formschlüssigen
Metalleinschluss aufweisen, um den vorher erwähnten hohen hydrostatischen
Enddruck zu erzeugen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es tatsächlich
während des
letzten Augenblicks des Schließens
für das
Metall aus diesen Kammern möglich,
wieder in den Haupthohlraum des Gesenks einzutreten, um die vollständige Gesenkfüllung zu
sichern.
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In
einem Aspekt besteht die vorliegende Erfindung aus einem Gesenk
zum Formen des gezahnten Endes einer Lenkungszahnstange aus einem
zylindrischen Rohling durch Schmieden, wobei das Gesenk erste und
zweite Gesenkstücke
aufweist, die relativ bewegbar sind, um gegen den Rohling bewegt zu
werden, wobei die Gesenkstücke
gegenüberliegende,
im Allgemeinen halbkreisförmige
Vertiefungen zum Aufnehmen des Rohlings aufweisen, von denen einer
die komplementäre
Form der Zähne
besitzt, wobei die Vertiefungen zwischen einander einen Haupthohlraum
bilden, wenn sich die Gesenkstücke
gegeneinander in ihre endgültige
geschlossene Stellung bewegen, während
subsidiäre
Vertiefungen in einem Gesenkstück
oder in beiden Gesenkstücken
an der Schnittstelle dazwischen Kammern in der endgültigen geschlossenen
Stellung bilden, wobei jede Seite des Haupthohlraums mit einer der Kammern
entlang der gesamten Längserstreckung des
Haupthohlraums oder zumindest entlang des größten Teils davon mit einer
der Kammern kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern im
Querschnitt Anschläge
aufweisen, die in seitlicher Richtung im Abstand zu dem Haupthohlraum
angeordnet sind und den Fluss des Rohlingmaterials von dem Haupthohlraum
weg behindern, wobei das Volumen der Kammern in der endgültigen geschlossenen Stellung
im Wesentlichen gleich der Volumendifferenz zwischen dem Zahnstangenrohling
und der fertiggeschmiedeten Lenkungszahnstange im Bereich des gezahnten
Endes im Haupthohlraum ist.
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Es
ist bevorzugt, dass das Anschlagmittel in Längsrichtung verlaufende Anschläge an dem
ersten Gesenkstück
aufweist, die jeweils gegenüberliegende
Anschläge
an dem zweiten Gesenkstück überlappen,
wenn es sich der endgültigen
geschlossenen Stellung annähert.
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Alternativ
oder zusätzlich
ist es bevorzugt, dass die Kammern in der Tiefe in Richtung von
dem Haupthohlraum weg im Allgemeinen hinreichend abgeschrägt sind,
um ein weiteres Herausfließen
des Rohlingmaterials zu verhindern, wenn es sich der endgültigen geschlossenen
Stellung annähert.
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Vorzugsweise
wird zumindest ein Teil des Rohlingmaterials in den Kammern wieder
zurück
in Richtung auf den Haupthohlraum gedrückt, wenn es sich der endgültigen geschlossenen
Stellung annähert.
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Vorzugsweise
bildet jeder der sich in Längsrichtung
erstreckenden Anschläge
an dem ersten Gesenkstück
eine kleine Freiraumzone mit dem jeweils gegenüberliegenden, überlappenden
Anschlag an dem zweiten Gesenkstück.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt eine Längsquerschnittsansicht einer
Zahnstange und eines Lenkgetrieberitzels;
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2 zeigt einen seitlichen
Aufriss der Zahnstange und des Zahnstangenlagers in dem Lenkgetriebe
von 1;
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3 ist eine Querschnittansicht
der Zahnstange und des Zahnstangenlagers von 2 an Schnitt III-III;
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4 ist eine Querschnittansicht
einer Zahnstange mit D- Querschnitt,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden kann;
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5 zeigt eine Querschnittansicht
der Zähne,
geschnitten durch die Querebene im Bereich 100 von 2, welcher dem Mittelpunktbereich
der Zahnstange entspricht;
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6 zeigt eine Querschnittansicht
der Zähne,
geschnitten durch die Querebene im Bereich 101 von 2, welcher dem Voll-Arretierungsbereich
der Zahnstange entspricht;
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7 ist eine Querschnittansicht
einer Ausführung
der Gesenkstücke
des Gesenks gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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8 ist eine vergrößerte schematische
Ansicht der Gesenkstücke
in vier aufeinanderfolgenden Stellungen vom ersten Kontakt des Rohlings
mit dem oberen Gesenkstück
bis zum vollständigen
Schließen
des Gesenks;
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9 ist eine Querschnittansicht
an Schnitt IX-IX von 8;
und
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10 ist eine Querschnittansicht
einer alternativen Ausführung
der Gesenkstückanschläge und der
Kammer, die zusammen die Anschlagmittel bilden.
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Beste Ausführungsmethode
der Erfindung
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1 zeigt einen Typ eines
Lenkgetriebes mit einer Zahnstange mit variablen Übersetzungsverhältnis und
einem Lenkgetrieberitzel, der von dem Herstellungsverfahren und
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung profitiert. Die Zahnstange 1 verschiebt
sich in Längsrichtung
in dem Lenkgetriebegehäuse 2 auf
den Lagern 3 und auf dem Zahnstangenstützlager 5. Das Gehäuse 2 ist
weiterhin mit Lagern für
das Montieren des Ritzels 6, allgemein unter einem Winkel,
der ein rechter Winkel zu der Längsachse
der Zahnstange 1 ist, versehen und das Ritzel 6 weist
allgemein eine Evolventenschrägverzahnung auf.
Das Gehäuse 2 weist
ferner einen Kraftzylinder 7 auf, in dem sich der Kolben 8 bewegt,
der sicher an der Zahnstange 1 befestigt ist. Die Lager 3 und 4 enthalten,
wie auch der Kolben 8, Dichtungen, so dass unter Druck
stehendes Öl,
das dem einen oder dem anderen Ende des Zylinders 7 zugeführt wird,
den Leistungsaufwand des Fahrers gemäß dem gut bekannten Stand der
Servolenkungstechnik unterstützt.
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2 zeigt eine typische Zahnstange,
wie sie in dem Lenkgetriebe von 1 installiert
werden würde,
und sie weist ein verzahntes Ende 9 und ein Schaftende 10 auf,
wobei am Letzteren der Kolben 8 befestigt ist. Es ist zu
erkennen, dass die Zähne
im Mittel-Bereich 100 der Zahnstange eng benachbart sind
und stetig zu jeder Seite davon in Richtung auf die Voll-Arretierungsbereiche 101 und 102 zu
Zähnen
mit größerem Abstand übergehen.
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Es
ist bevorzugt, dass die gezahnten Enden 9 eine Querschnittsform
aufweisen, wie sie in 3 dargestellt
ist (Schnitt III-III von 2)
und die aus Bequemlichkeitsgründen
gemäß den Ausführungen in
dem US-Patent 4,116,085 als Y-Querschnitt bezeichnet wird. Eine
solche Zahnstange ist aus Gründen,
die in dem vorher angeführten
Patent angeführt sind,
wenn sie in den „V"-förmigen Gleitflächen, die zu
dem Zahnstangenlager 5 gehören, gelagert ist, im Wesentlichen
ohne Neigung zu einem Rollen um ihre Längsachse, das durch Eingriffskontaktkräfte zwischen
den Zähnen
des Ritzels 6 und denen der Zahnstange verursacht wird.
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Aus 3 ist zu erkennen, dass
das gezahnte Ende 9 eine größere Querschnitts-Einhüllende aufweist,
als das Schaftende 10. Daher muss das Lager 4,
welches die Dichtung 4a aufweist, vor der Befestigung und
dem Haltern des Kolbens 8 (zum Beispiel durch Sprengringe)
und vor dem Einbau in das Gehäuse 2 auf
dem Schaftende 10 montiert werden. Das Gehäuse 2 ist
mit einem in neren Anschlag 11 versehen, in welchen der
abgestufte Ring 4b des Lagers während des Zusammenbaus der
Lenkung eingepresst wird.
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Diese
Technologien sind bei der Herstellung von Servolenkgetrieben über mehr
als zehn Jahre verwendet worden und sie verursachen, wenn sie sich
auch gut bewährt
haben, im Vergleich zu einer Konstruktion, die normalerweise in
Servolenkgetrieben mit konstantem Übersetzungsverhältnis, bei
denen das gezahnte Ende im Wesentlichen den gleichen Durchmesser
wie das Schaftende aufweist, so dass der Querschnitt der Zahnstange
mehr an den Buchstaben D als an den Buchstaben Y erinnert, einige
Zusatzkosten.
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Heute
wird, wie bereits vorher angeführt,
aus Kosteneinsparungsgründen
unter bestimmten Umständen
eine Zahnstange mit einem D-Querschnitt gegenüber einer Zahnstange mit Y-Querschnitt
bevorzugt. Zu diesem Zweck beschreibt die vorliegende Erfindung
ein Mittel, wodurch die vier hauptsächlichen Formungselemente,
wie sie in dem US-Patent 4,571,982 und in der Internationalen Patentanmeldung
PCT/AU94/00775 beschrieben sind, durch ein Paar gegenüberliegender
Gesenkstücke
ersetzt wird und die Zahnstangenform einen D-Querschnitt aufweist,
wie er in 4 dargestellt
ist. Die Seite 12 des gezahnten Endes der Zahnstange, die
den Zähnen gegenüberliegt,
stimmt jetzt nach dem Fertigschleifen mit der des Schaftendes 10 überein.
Es ist zu bemerken, dass die Rollmomente am stärksten durch den Abstand 13 zwischen
der Zahnstangenlängsachse 16 und
der Eingriffs-Steigungsebene
der Zahnstangen- und der Ritzelzähne
beeinflusst wird, die als Ebene 14 für die Voll-Arretierungsbereiche 101 und 102 und
als Ebene 15 für
den Mittelbereich 100 dargestellt sind.
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5 und 6 zeigen typische Zahnformen, gesehen
in Querschnittsebenen, d. h. in Ebenen senkrecht zu dem örtlichen
Schrägstellungswinkel der
Zähne,
wie sie in den Bereichen 100 bzw. 101 von 2 vorhanden sind. Die Zähne mit
den darge stellten Formen können
verwendet werden, wenn die Lenkübersetzung
für die
Mitte des Lenkungseinschlags- oder Kurvenfahrtbereichs des Fahrzeugs
in der Größenordnung
von 60–70%
bezogen auf die Mittelstellung oder die Geradeausfahrtstellung der Räder gewählt ist.
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Die
Drücke,
die während
des Formens der Zahnstangenzähne
erreicht werden, bestimmen jetzt größtenteils den Füllungsgrad
der verzahnten Vertiefung 26, wie es durch die Meniskusradien 17 angegeben
ist, was allgemein in dem Mittelbereich (5), wo der Querdruckwinkel 18 gering
ist, schwer zu erreichen ist. Die in 5 und 6 dargestellten Zähne weisen
unterschiedliche volumetrische Durchschnittshöhen, d. h. Ebenen 19 bzw. 20,
auf, bei denen die Zahnquerschnittsfläche 200, 202 oberhalb dieser
Durchschnittshöhe
der Querschnittsfläche
der Zahnlücke
(d. h. dem Abstand zwischen den Zähnen) 201, 203 unterhalb
dieser Durchschnittshöhe
gleicht (d. h. die schraffierten Flächen 200 = 201 und 202 = 203).
Somit liegt die Durchschnittshöhenebene 19 in 5 der Ebene 204 der
Zahnfüße (gekennzeichnet als
Höhe 205)
beträchtlich
näher als
in dem Fall der entsprechenden Ebenen der Hochdruckwinkelzähne, wie
sie in 6 dargestellt
sind (der Abstand zwischen den Ebenen 20 und 206 ist
als Höhe 207 angegeben).
Das gesamte Hohlraumvolumen pro Längeneinheit muss diese sich
verändernden
Zahnvolumen berücksichtigen,
wenn der an der Zahnstange erreichte Füllungsgrad entlang ihrer Länge konstant gehalten
werden soll. Weiterhin müssen
auch die unvermeidlichen Veränderungen
der Steifigkeit der Gesenkstücke
entlang ihrer Länge
berücksichtigt
werden.
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Der
noch verbleibende Teil der Beschreibung des Schmiedegesenks, das
gemäß der Erfindung
für das
Warmformen von Zahnstangen mit D-förmigen Querschnitt geeignet
ist, bezieht sich auf ein Paar gegenüberliegender Gesenkstücke. Wie
bereits vorher angeführt,
kann der Rest des Gesenks als im Wesentlichen so ausgeführt betrachtet
werden, wie es in der Internationalen Patentanmeldung PCT/AU94/000775
beschrieben ist. Somit sind geeignete Hohlräume in den oberen und unteren
Druckplatten (oder Gesenkelementen) vorgesehen, die in 3 und 4 der früheren Beschreibung mit 18 und 19 gekennzeichnet
sind, um die rechtwinkligen Gesenkstücke 21 und 22 in 7 der vorliegenden Beschreibung
unterzubringen. Wenn die untere Hubstellung des Schmiedevorgangs
erreicht ist (d. h. endgültiges Schließen), bilden
die Gesenkstücke
zusammen einen Haupthohlraum 23 und Kammern 24,
die an jeder Seite davon angeordnet sind und die sich in den meisten
Fällen
im Wesentlichen über
die gesamte Länge
der Gesenkstücke
erstrecken. Weitere Einzelheiten des Haupthohlraums 23 und
der Kammern 24 sind in 8 dargestellt.
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Der
präzisionsgeschliffene
Zahnstangenrohling 25 ist hierin in einer Position direkt über der
gezahnten Vertiefung 26 des unteren Gesenkstücks 22 zum
Zeitpunkt des Kontaktes des Rohlings 25 mit der halbkreisförmigen Vertiefung 27 des
oberen Gesenkstücks 21 in
der Position 27a dargestellt. Die aufeinanderfolgenden
Positionen der halbkreisförmigen Vertiefung 27 und
des Rohlings 25 sind mit den Anhängen b, c und d gekennzeichnet.
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An
jeder Seite des Haupthohlraums 23 befinden sich Anschläge 28 und 29 des
unteren Gesenkstücks 22 bzw.
des oberen Gesenkstücks 21.
Jeder Anschlag 29 überlappt
den entsprechenden gegenüberliegenden
Anschlag 28 und bildet dadurch ein „Anschlagmittel" am seitlich entfernten
Ende jeder Kammer 24, der den Fluss von Material von dem Haupthohlraum 23 weg
behindert, wenn sich die Gesenkstücke 21 und 22 der
endgültigen
geschlossenen Stellung annähern.
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Die
genauen Proportionen der Kammern 24 werden durch viele
Faktoren beeinflusst. So müssen sie
zum Beispiel eine ausreichende Breite 50 aufweisen, so
dass der angehobene Anschlag 24 der seitlichen Scherbeanspruchung
standhält,
die während des
abschließenden
Schließens
des Gesenkstücks aufgebracht
wird.
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Die
optimale Querschnittsform der Kammern 24 für die spezielle
Ausgestaltung einer Zahnstange mit D-Querschnitt kann durch em pirisches
Annähern oder
durch die Verwendung von Computer-Modellierungsprogrammen erreicht werden.
Solche Programme können
normalerweise die folgenden Informationen als Eingaben haben:
- – das
Geschwindigkeits-/Zeit-Verhältnis
der Gegenhalter der Presse während
des Schließens,
- – die
Eigenschaften der zu verwendenden Werkstoffe, im vorliegenden Fall
eines aus einer umfassende Reihe von Stählen,
- – die
Temperatur, bei welcher die gewählten
Stähle
am leichtesten fließen,
unterhalb der jedoch eine metallurgische Phase während des Abkühlens auftritt,
beispielsweise die Temperatur der austenitischen Umbildung,
- – die
Zähigkeitseigenschaften
des Stahls bei verschiedenen Schergeschwindigkeiten,
- – den
Reibungskoeffizienten während
des Fließens
des Stahls in dem Gesenk unter Bezug auf die Oberflächenbeschaffenheit
des Gesenks, die verwendete Schmierung usw.
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Die
Variablen, die beim Proportionieren der Kammern verwendet werden,
schließen
ein:
- – Die
Breite 50, die durch die Scherfestigkeit des angehobenen
Anschlags 28 beeinflusst wird. Weiterhin sollte die Höhe 59 des
Anschlags 28 minimiert sein, um die kombinierten Biege-
und Scherbeanspruchungen zu begrenzen, die während des abschließenden Schließens des
Gesenks auf den Anschlag wirken. Die bevorzugte Breite 50 ist größer als
die Höhe 59.
- – die
Durchschnittshöhe 51 der
Kammer 24,
- – die
verwendeten Kegelwinkel bei 52 und 55, so dass
die Gesen ke nach dem Auftreten von Verschleiß sehr einfach durch elektrisches
Abtragen bearbeitet werden können.
An der Grenzfläche der
Anschläge 28 und 29 der
Gesenkstücke 22 bzw. 21 ist
eine kleine Freiraumzone 54 vorhanden, um eine geringfügige Fehlanpassung
der Hauptgesenkstücke
durch mögliche
unzureichende Ausrichtung der Keilelemente zwischen den oberen und
unteren Gesenkplatten zu erlauben,
- – die
Radien 53 am Eingang zu dem Haupthohlraum 23,
um das Einfließen
in und das Ausfließen aus
den Kammern 24 zu unterstützen,
- – das
Gesamtvolumen der Kammern 24 (auf der linken Seite von 8 schraffiert dargestellt),
das dem Volumen 120 gleichen sollte (auf der linken Seite
von 8 schraffiert dargestellt),
begrenzt durch die Durchschnittshöhe der Zähne, wie sie vorher definiert
und in 5 und 6 dargestellt ist, und der
hypothetische Bogenumfang des Stücks 22 (wenn
die Zähne
nicht vorhanden sind) bei endgültigem
Schließen
des Gesenks.
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In
der in 8 dargestellten
Ausführung
sind die Kammern 24 und die angehobenen Anschläge 28 des
Gesenkstücks 22 in
der Tiefe in eine Richtung von dem Hohlraum 23 weg abgeschrägt, so dass
unmittelbar vor dem endgültigen
Schließen
ein Teil des Rohlingmaterials in den Kammern 24 zurück in Richtung
auf den Haupthohlraum 23 und von dem möglichen Einschließen in die
Freiraumzone 54 weg gedrückt wird. Dieses Drücken des
Rohlingmaterials in Richtung auf den Haupthohlraum 23 sichert,
dass die effektive Zahnfüllung
erreicht ist.
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Die
Durchschnittstiefe 51 der Kammern 24 kann über die
Länge einer
Kammer oder beider Kammern variiert werden, um das sich verändernde Durchschnittshöhenvolumen
der Zähne,
wie es vorher bereits behandelt wurde, und andere Faktoren, wie
zum Beispiel die Volumenverformung der Gesenke und Druckplatten
zu kompensieren. 9 ist
eine Querschnittsansicht, geschnitten an der Linie IX-IX von 8, welche diese Veränderung
in der Tiefe darstellt.
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Alternativ
kann das Gesenk durch Umkehren der Gesenkelemente weiter vereinfacht
werden, so dass das gezahnte Gesenkstück sich in der sich bewegenden
Druckplatte befindet. Der Greifer 24 in der unteren Druckplatte 19 (5 in der Internationalen Patentanmeldung
PCT/AU94/000775) kann nun feststehend sein und weist ein Stück mit einem
halbkreisförmigen
Hohlraum auf, der präzise
eine Verlängerung
der teilweise halbkreisförmigen
Vertiefung 27 des Gesenkstückes 21 ist, wie es
in 8 der vorliegenden
Beschreibung dargestellt ist, jedoch ohne die Kammern 24.
Durch dieses Mittel wird eine exakte Koaxialität des gezahnten Endes und des
Schaftendes der Zahnstange gesichert.
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10 zeigt eine andere Ausführung, in
welcher die Kammer 24 und die Anschläge 28 und 29 der
Gesenkstücke 22 und 21 sich
im Verhältnis
Breite/Tiefe von dem der in 7 und 8 dargestellten vorherigen
Ausführung
unterscheiden. Die Form und die Größe der Kammer 24 und
der Anschläge 28, 29 kann
in Abhängigkeit
von der Größe und der
Form der zu schmiedenden Zahnstange unterschiedlich sein, wobei
eine wichtige Forderung ist, dass jede Kammer 24 beim endgültigen Schließen vollständig mit
dem Rohlingmaterial gefüllt
ist.
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Von
Fachleuten ist zu erkennen, dass zahlreiche Variationen und Modifikationen
der Erfindung erfolgen können,
ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den
beigefügten Ansprüchen definiert
ist.