versehenen Oberfläche

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Härten einer mit rippen- oder zahnartigen Elementen versehenen Oberfläche an einem Bauelement für ein Lenksystem, insbesondere zum Härten von Verzahnungen von Zahnstangen, mit einer

Induktionsspule in deren Wirkungsbereich die zu härtende Oberfläche bringbar ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Zahnstange, insbesondere für ein Lenksystem eines Fahrzeugs.

Rippenartige oder zahnartige Elemente an Oberflächen von Bauelementen von Lenksystemen, wie Verzahnungen an Zahnstangen haben hohen Belastungen Stand zu halten. Insbesondere zur Minimierung des Verschleißes an derartigen

Bauelementen ist eine Randschichthärtung der Oberfläche der Bauelemente erforderlich. Dazu eignet sich vorzugsweise das Induktionshärten.

Die Oberflächen werden hierzu durch Induktion auf eine erforderliche Härtetemperatur gebracht und anschließend abgeschreckt. So entsteht in den erfassten Bereichen ein harter, verschleißfester Stahl. Bei dem Induktionshärten entsteht die Wärme im jeweiligen Werkstück selbst. Es lassen sich hierbei grundsätzlich alle elektrisch leitenden Stoffe erwärmen. Eine Induktionsspule oder auch Induktor genannt, baut ein magnetisches Wechselfeld auf, wenn er von Wechselstrom durchflössen wird. Das zu bearbeitende Werkstück bildet eine kurzgeschlossene Spule. Wenn durch die

Induktionsspule ein Wechselstrom fließt, wird in dem Werkstück eine Spannung induziert, welche im Werkstück induzierte Wirbelströme zur Folge hat. Dieser Strom führt zu einer Erwärmung des Materials des Werkstücks. Die Wärme gelangt hier nicht von der Oberfläche her in das Werkstück, sondern die Wärme entsteht in der zu härtenden Schicht. Beim Erwärmen auf Härtetemperatur wechselt die Struktur des Eisengitters von kubisch-raumzentriert zu kubisch-flächenzentriert. Die Kohlenstoffatome diffundieren ins Metallgitter.

Durch schnelles Abkühlen klappt das Metallgitter wieder zurück ohne dass die Kohlenstoffatome ihre Position wechseln können. Die Kohlenstoffatome werden im Metallgitter festgehalten. Die dadurch erzielte Verzerrung des Raumgitters des Metalls macht sich mikroskopisch als Härtesteigerung des Materials bemerkbar.

Durch die Gefügeumwandlung lassen sich Härte, Sprödigkeit, Zähigkeit und der jeweilige Eigenspannungszustand des Materials beeinflussen. Die Stromeindringtiefe und damit die Härtetiefe ist abhängig von der Betriebsfrequenz der jeweiligen

Vorrichtung zum Härten. Die Härtetiefe nimmt mit zunehmender Betriebsfrequenz aufgrund des sog. Skin-Effektes ab. Es sind im Niederfrequenzbereich (50 - 500 Hz) Eindringtiefen von etwa 8 mm und im Hochfrequenzbereich (50 kHz - 30 MHz) von etwa 0,1 mm zu erzielen.

Die DE 10 2008 041 952 A1 zeigt ein als Zahnstange gebildetes, mit rippen- oder zahnartigen Elementen an seiner Oberfläche versehenes Bauelement für ein Lenksystem, aus einem Vergütungsstahl. Die Zahnstange weist eine zumindest über einen Teil ihrer Länge sich erstreckende, mittels Induktionshärten gehärtete

Verzahnung auf. Die Verzahnung weist einzelne, jeweils einen Zahnkopf und zwei Zahnflanken aufweisende Zähne und einen jeweiligen, sich zwischen zwei benachbarten Zähnen befindlichen Zahngrund auf. Die Verzahnung ist derart induktiv gehärtet, dass die Härtetiefe zumindest im Bereich des Zahnkopfes und zumindest über einen Teil der Zahnflanken wenigsten annährend parallel zu der Außenkontur des jeweiligen Zahnes verläuft. Die Zahnstange wird im Vorschubverfahren gehärtet, wobei der Strom senkrecht über die Zähne geführt wird.

Die DT 24 01 170 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Härten von länglichen

Werkstücken, insbesondere mit Spitzen aufweisender Struktur, mit einem

Impulsgenerator zum Erzeugen periodisch wiederkehrender Impulse und mit einer von diesem gespeisten Induktionsspule, in deren Wirkungsbereich das zu härtende Werkstück vorbeigeführt wird. Die Induktionsspule weist eine Länge auf, die etwa gleich der Vorschubstrecke eines Werkstückabschnittes entsprechend der Dauer von zwei Impulsabständen ist.

Mit den bekannten Vorrichtungen zum Härten und insbesondere mit deren

Induktionsspulen ist ein gleichmäßiges Härten insbesondere eines Zahngrundes nur über Wärmeleitung möglich. Es sind beim Induktionshärten daher vergleichsweise hohe elektrische Leistungen für die Vorrichtung erforderlich und die Verweilzeit des jeweiligen Bauelementes an der Vorrichtung ist nicht minimiert. Zudem ergeben sich dadurch höhere Werkstück- oder Bauelementetemperaturen in einem Bereich eines Kopfes von zahnartigen oder rippenartigen Elementen. Dies kann zu einem unvorteilhaften Gefüge, wie etwa einem groben Korn in dem genannten Bauelemente- Bereich führen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Härten einer mit rippen- oder zahnartigen Elementen versehenen Oberfläche an einem Bauelement für ein Lenksystem anzugeben, die in der Lage ist, eine gleichmäßige Härtung über die gesamte Oberfläche eines dahingehenden Bauelementes zu bewirken und deren Einsatz keine unvorteilhaften Folgen für eine Gefügestruktur des Bauelements hat. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zahnstange, insbesondere für ein Lenksystem anzugeben, deren Oberfläche mit der Vorrichtung gehärtet ist.

Die Aufgaben werden mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und mit einer Zahnstange mit den Merkmalen eines nebengeordneten

Patentanspruches gelöst.

Dadurch dass die Induktionsspule so geformt ist, dass durch diese ein elektrischer Strom induziert wird, der zumindest teilweise orthogonal zu den rippen- oder zahnartigen Elementen gerichtet ist, ist eine technische Maßnahme angegeben, die rippen- oder zahnartigen Elemente an der Oberfläche des zu härtenden Bauelements, wie zum Beispiel Zähne einer Verzahnung einer Zahnstange und insbesondere den jeweiligen Zahngrund der Verzahnung durch Induktion gleichmäßig über die

Oberfläche zu erhitzen und nicht wie beim Stand der Technik bekannt, durch

Wärmeleitung zu erhitzen. Dadurch ist eine gleichmäßige Härtetiefe über die gesamte Oberfläche der rippen- oder zahnartigen Elemente ermöglicht unter Umgehung der Nachteile, wie sie bei Härteverfahren aus dem Stand der Technik bekannt sind, nämlich eine Veränderung des Korngefüges des Metalls des Bauelements.

Die Verzahnung kann auch durch Induktion durchgehärtet werden.

Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist deren Induktionsspule zumindest einen etwa parallel und orthogonal zu den rippen- oder zahnartigen Elementen bringbaren Teil auf, mit Hilfe dessen der jeweilige Zahngrund einer Verzahnung oder auch der Grund zwischen rippenartigen Elementen erhitzt und gehärtet werden kann. Das Teil der Induktionsspule ist vorzugsweise aus zumindest zwei etwa parallel zueinander angeordneten Schenkeln gebildet, die zu einer

Ringform der Induktionsspule zugeordnet sind und die von elektrischem Strom durchflössen werden können. Der Teil der Induktionsspule dient insbesondere zur

Erhitzung und Härtung des jeweiligen Zahngrundes der rippen- oder zahnartigen Elemente. Die Erhitzung und Härtung der übrigen Oberfläche der rippen- oder zahnartigen Elemente kann mit Hilfe einer Ringform der Induktionsspule erfolgen. Es ist vorteilhaft, einen Impulsgenerator zur Versorgung der Vorrichtung mit elektrischem Strom anzuwenden. Ein auch als Umrichter bezeichneter

Impulsgenerator versorgt die Induktionsspule hierbei mit einer aus der Netzfrequenz umgewandelten Nieder- Mittel- bzw. Hochfrequenz-Leistung. Der Impulsgenerator ermöglicht den Betrieb der Vorrichtung mit verschiedenen Frequenzen

(Niederfrequenz 50 bis 500 Hz, Mittelfrequenz 500 Hz bis 50 kHz und Hochfrequenz 50 kH bis 30 MHz), wodurch die Stromeindringtiefe in das zu härtende Bauelement und damit die Härtetiefe gewählt werden kann.

Es lässt sich somit beispielsweise eine Verzahnung an einer Zahnstange so härten, dass gewünschte spezifische Härtegrade und Korngefüge an der Verzahnung und der Zahnstange erzielt werden können. Beispielsweise lässt sich eine Zahnstange insbesondere für ein Lenkgetriebe eines Fahrzeugs, bestehend aus einem

Vergütungsstahl mittels Induktionshärten härten. Es ergibt sich eine Zahnstange mit guter Verschleißfestigkeit und geringstem Verzug durch das Härten. Die Härtetiefe verläuft hierbei zumindest im Bereich des Zahngrundes annähernd parallel zu einer Außenkontur der Verzahnung. Es resultiert hierdurch insbesondere eine gleichmäßige Härte und Härtetiefe der Oberfläche der Verzahnung und ein feines Korngefüge zumindest in den Zahnköpfen, was mit den bekannten Vorrichtungen zum Härten nicht erreicht werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 in der Art einer Funktionsskizze eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum

Härten mit einer Induktionsspule,

Fig. 2 eine schematische, nicht maßstäbliche Seitenansicht einer Zahnstange, deren zahnartigen Elemente, wie eine Verzahnung, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gehärtet sind,

Fig. 3 ein Detail III an der Verzahnung in Fig. 2 in der Art einer vergrößerten

Darstellung der Verzahnung der Zahnstange mit einer schematischen

Darstellung der Härtetiefe der Verzahnung.

In Fig. 1 ist eine als Ganzes mit 1 bezeichnete Vorrichtung zum Härten einer mit rippen- oder zahnartigen Elmenten 2 versehenen Oberfläche 3 an einem Bauelement

4 für ein Lenksystem gezeigt. Die Elemente 2 sind als Zähne 18,18' einer Verzahnung

5 einer Zahnstange 6 gezeigt. Die Oberfläche der Verzahnung 5 wird hierbei mit Hilfe einer Induktionsspule 7, die lediglich teilweise gezeigt ist, durch Induktionshärten gehärtet. Die Induktionsspule 7 ist dabei so geformt, dass ein elektrischer Strom induziert wird, der sowohl orthogonal als auch parallel zu den Zähnen 18,18' und deren jeweilige Zahnflanken 16,17 gerichtet ist. Das Bauelement 4 und die

Induktionsspule 7 werden hierbei relativ zueinander bewegt.

Zu diesem Zweck weist die Induktionsspule 7 ein Teil 8 auf, das zumindest etwa orthogonal und auch parallel zu den rippen- oder zahnartigen Elementen 2 oder den Zähnen 18,18' der gesamten Verzahnung 5 bringbar ist, d.h. in dem gezeigten Ausführungsbeispiel quer und parallel zu der Zahnstangenlängsrichtung

vorzugsweise zwischen die einzelnen Zähne bringbar ist. Wie Fig. 2 zeigt, besteht das Teil 8 aus zwei Schenkel 9,10 und einem orthogonal zu der Verzahnung 5

ausrichtbaren Verbindungsstück 10' der insgesamt eine Ringform 1 1 aufweisenden Induktionsspule 7. Die Schenkel 9,10 sind mit etwa gleichbleibendem Abstand zueinander parallel und als Teil der einstückig gebildeten Induktionsspule 7 angeordnet. Die Schenkel 9,10 und das Verbindungsstück 10' sind im Betrieb der Induktionsspule 7 mit einer gerichteten Stromrichtung eines elektrischen Stromes durchflössen, (siehe Pfeile) sodaß ein magnetischer Flu ß durch einen jeweils zum Zwecke des Erhitzens und anschließenden Abschreckens zwischen den Schenkeln 9,10 befindlichen Zahns 18,18' der Verzahnung 5 über eine gleichmäßige Tiefe des jeweiligen Zahnes erzeugt wird und der jeweilige Zahn 18,18' erhitzt wird.

Die Härtung von Verbindungsbereichen 12 der rippen- oder zahnartigen Elemente 2, wie etwa einem Zahngrund 13 zwischen den Zähnen 18, 18' erfolgt durch die

Vorrichtung 1 und insbesondere durch das Teil 8 zwischen den jeweiligen Zähnen in dem Zahngrund 13 wie auch an den übrigen Teilen der Oberfläche 3 der Verzahnung 5 sodaß mit Hilfe der Ringform 1 1 der Induktionsspule 7 beide Seiten der jeweiligen Zähne 18,18' erhitzt und gehärtet werden. Die Zahnstange 6 wird von der

Induktionsspule 7 hierbei bevorzugt umschlossen und während des Härtens durch die Induktionsspule 7 geführt. Dies erfolgt über die gesamte Länge der Verzahnung 5 der in Fig. 2 schematisch dargestellten Zahnstange 6 in vorzugsweise kontinuierlicher Weise.

Die Vorrichtung 1 und insbesondere die Induktionsspule 7 wird von einem

Impulsgenerator 14 mit einem in Bezug auf Frequenz und Stromstärke einstellbaren elektrischen Strom versorgt. Es lassen sich mit der gezeigten Vorrichtung 1 mit geringem Zeitbedarf Verzahnungen 5 von Zahnstangen 6 aus einem Vergütungsstahl für Lenkgetriebe eines Fahrzeugs, wie etwa für elektrische oder hydraulische

Hilfskraftlenkungen von Personenkraftwagen, mittels Induktionshärten härten.

Wie Fig. 3 zeigt, weisen die Verzahnungen eine Mehrzahl an Zähnen 18,18' mit jeweils einem Zahnkopf 15 und zwei Zahnflanken 16,17 auf, wobei sich zwischen zwei benachbarten Zähnen 18,18' jeweils der mit den bekannten Härtungsverfahren nur unter Inkaufnahme von Nachteilen für die Zahnfestigkeit härtbare Zahngrund 13 befindet. Mit der erfindungsgemäßen Induktionsspule 7 ist jedoch eine

gleichbleibende Härtetiefe t etwa parallel zu einer Außenkontur 19 der Verzahnung 5 oder ein Durchhärten der Zähne 18,18' erreichbar. Die Verzahnung 5 weist daher auch nach dem Härten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ein feines

Korngefüge auf. - 10 -

BEZUGSZEICHENLISTE

Vorrichtung

Element, rippen-zahnartig

Oberfläche

Bauelement

Verzahnung

Zahnstange

Induktionsspule

Teil

Schenkel

Schenkel

' Verbindungsstück

Ringform

Verbindungsbereich

Zahngrund

Impulsgenerator

Zahnkopf

Zahnflanke

Zahnflanke

,18' Zahn

Au ßenkontur Härtetiefe