Verfahren zur Herstellung einer Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges mit partieller Oberflächenbehandlung einer Welle mittels Laser

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug mit einer eine Längsachse aufweisenden Welle. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Welle für eine Lenkwelle eines Kraftfahr- zeuges, sowie eine Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug .

Die Erfindung befasst sich mit einer Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug.

Teleskopierbare Lenkwellen weisen eine Innenwelle und eine dazu koaxial angeordnete Außenwelle auf, wobei die Innenwelle gegenüber der Außenwelle zumindest im Crashfall verschiebbar ist. Die Innenwelle und die Aussenwelle sind drehmomentenschlüssig gekoppelt. Teleskopierbare Lenkwellen werden in Kraftfahrzeugen zwischen dem Lenkgetriebe und dem Lenkrad eingesetzt und können beispielsweise als Lenkspindel in einer Lenksäule und/oder als Lenkzwischenwelle zwischen der Lenkspindel und einem Lenkgetriebe ausgebildet sein. Um das Spiel zwischen Innenwelle und Außenwelle zu reduzieren, ist es bekannt, eine Umspritzung, bevorzugt auf der Innenwelle, vorzusehen.

Weiterhin kann durch die Umspritzung die Verschiebekraft reduziert werden.

Im Stand der Technik offenbart die DE 10 2014 105 822 AI eine Lenkwelle mit einer Kunststoffumspritzung auf einem Verzahnungsbereich der Innenwelle. Um die Umspritzung fest und sicher auf der Innenwelle aufbringen zu können, ist es erforderlich, dass die Innenwelle eine saubere, ölfreie Oberfläche aufweist. Dies bedeutet, dass das Halbzeug hohe Anforderungen bezüglich der Sauberkeit der Oberflächen erfüllen muss. Konventionell werden die Halbzeuge nach der Umformung bzw. einer Korrosionsschutzbeschichtung chemisch nass gereinigt. Hierbei wird immer das komplette Bauteil gereinigt. Dadurch entstehen hohe Kosten bei dem Transport, der Lagerung und der Verarbeitung des Halbzeugs.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfacheres und kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung einer Lenkwelle und eine verbesserte Welle für eine Lenkwelle, sowie eine Lenkwelle anzugeben.

Diese Aufgabe wird von einem Verfahren zur Herstellung einer Lenkwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Welle für eine Lenkwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 11, sowie einer Lenkwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Demnach ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug mit einer eine Längsachse aufweisenden Welle vorgesehen, wobei zumindest ein Teil der Oberfläche der Welle mittels eines Lasers gereinigt wird. Die gezielte Reinigung nur eines Teils der Welle bringt deutliche Kostenvor- teile, da eine Reinigung des gesamten Halbzeugs entfallen kann und somit die Taktzeit reduziert werden kann.

Der Laser entsendet einen Laserstrahl, der auf die Oberfläche der Welle trifft und diese reinigt.

Es ist vorteilhaft, wenn der Laser sich kontinuierlich in Richtung der Längs- achse der Welle relativ zur Welle bewegt und die Welle dabei um ihre Längsachse rotiert.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lenkwelle teleskopierbar und weist eine Innenwelle und eine koaxial die Innenwelle umgebende Außenwelle auf, wobei die Innenwelle mit der Außenwelle drehmomentenschlüssig gekoppelt ist, wobei die Welle die Innenwelle und/oder die Außenwelle ist. Somit ist die laserbearbeitet Welle die Innenwelle oder die Außenwelle, oder die Innenwelle und die Außenwelle sind jeweils mittels des Lasers gereinigt. Mit anderen Worten sieht das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug vor, dass die Lenkwelle eine eine Längsachse aufweisende Innenwelle aufweist, die drehmomentenschlüssig mit der Außen- welle gekoppelt ist, wobei zumindest ein Teil der Oberfläche der Innenwelle und/oder der Außenwelle mittels eines Lasers gereinigt wird .

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Reinigung mittels Laser der Innenwelle und/oder der Außenwelle in einem Verzahnungsbereich erfolgt. Der Verzahn- ungsbereich der Innenwelle ist korrespondierend zu dem Verzahnungsbereich der Außenwelle.

Vorzugsweise weist der Verzahnungsbereich eine Vielzahl an Zähnen auf, welche sich in Richtung der Längsachse der Lenkwelle erstrecken. Mit anderen Worten weist die Innenwelle eine Außenverzahnung auf, die korrespondierend zu einer Innenverzahnung der Außenwelle ist, wobei die Innenverzahnung und die Außenverzahnung, bevorzugt unter Zwischenschaltung einer Umspritzung oder einer Hülse drehmomentenschlüssig gekoppelt sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist weiterhin vorgesehen, dass zwei Laser verwendet werden, die derart angeordnet sind, dass die Laserstrahlen einen vordefinierten Winkel zueinander aufweisen. So können alle Zahnflanken und/oder Hinterschneidungen des Verzahnungsbereiches in einem Reinigungsschritt gereinigt werden.

Besonders bevorzugt weist der Winkel zwischen den Laserstrahlen 170 einen Wert zwischen 70° und 110° auf. Der Laser ist vorzugsweise ein diodengepumpter Festkörperlaser, insbesondere ein NdYAG-Laser.

Vorteilhafterweise weist der Laser eine Pulsfrequenz zwischen 100kHz und 300kHz auf. Es kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl des Lasers durch eine Optik hindurchtritt, die den Laserstrahl aufweitet. Durch die größere durch den Laser bearbeitbare Fläche kann die Bearbeitungszeit der Reinigung verringert werden.

Vorzugsweise ist ein Laserkopf des Lasers durch eine Faserleitung mit einer Laserquelle des Lasers verbunden und der Laserkopf wird von einem Roboter geführt. Damit lässt sich die Oberfläche präzise bearbeiten. Weiterhin ist eine Welle für eine Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, bei der zumindest ein Teil der Oberfläche mittels eines Lasers gereinigt ist.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der gereinigte Teil der Oberfläche ein Verzahnungsbereich der Welle mit einer Vielzahl an Zähnen ist, welche sich in

Richtung der Längsachse der Welle erstrecken.

Es ist zudem eine Lenkwelle mit einer vorgenannten Welle vorgesehen. Diese Lenkwelle ist bevorzugt teleskopierbar und weist eine Innenwelle und eine koaxial die Innenwelle umgebende Außenwelle auf, wobei die laserbearbeitete Welle die Innenwelle und/oder die Außenwelle ist. Mit anderen Worten wird eine Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei die Lenkwelle eine eine Längsachse aufweisende Innenwelle aufweist, die drehmomenten- schlüssig mit der Außenwelle gekoppelt ist, wobei zumindest ein Teil der Oberfläche der Innenwelle und/oder der Außenwelle mittels eines Lasers gereinigt ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es

zeigen :

Figur 1 : eine schematische Darstellung einer bekannten elektro- mechanischen Servolenkung,

Figur 2 : eine räumliche Darstellung einer teleskopierbaren Lenkwelle in einer auseinandergezogenen Darstellung,

Figur 3 : eine Seitenansicht einer Innenwelle der teleskopierbaren

Lenkwelle, Figur 4: eine schematische Darstellung einer Oberflächenbearbeitung der

Innenwelle mittels Laser,

Figur 5 : eine Seitenansicht der bearbeiteten Innenwelle,

Figur 6; eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der

Oberflächenbearbeitung der Innenwelle mittels Laser, Figur 7 : eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsfo

Oberflächenbearbeitung der Innenwelle mittels Laser,

Figur 8: eine Schnittdarstellung der Innenwelle mit Oberflächenbearbeitung durch zwei Laser Figur 9 : eine schematische Darstellung in einer ersten Ausführungsform der Oberflächenbearbeitung der Außenwelle mittels Laser,

Figur 10 eine schematische Darstellung in einer zweiten Ausführungsform der Oberflächenbearbeitung der Außenwelle mittels Laser,

Figur 11 eine schematische Darstellung in einer dritten Ausführungsform der Oberflächenbearbeitung der Außenwelle mittels Laser,.

In der Figur 1 ist ein Lenksystem 1 eines Kraftfahrzeugs mit einem Lenkrad 2, das mit einer Lenkwelle 3 drehfest gekoppelt ist, schematisch dargestellt. Über das Lenkrad 2 bringt der Fahrer ein entsprechendes Drehmoment als Lenkbefehl in die Lenkwelle 3 ein. Das Drehmoment wird dann über die Lenkwelle 3 auf ein Lenkritzel 4 übertragen. Das Ritzel 4 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment 5 einer Zahnstange 6. Das Lenkritzel 4 bildet zusammen mit der Zahnstange 6 ein Lenkgetriebe 65. Die Zahnstange 6 ist in einem Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahnstange 6 mit Spurstangen 7 über nicht darge- stellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 7 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 8 des Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung der Lenkwelle 3 und des Ritzels 5 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 6 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 8. Die gelenkten Räder 8 erfahren über eine Fahrbahn eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegen wirkt. Zum Verschwenken der Räder 8 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Ein Elektromotor 9 mit einem Rotorlagensensor (RPS) und einer Servo- einheit 10 ist vorgesehen, um dem Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unter- stützen. Die Servoeinheit 10 kann dabei entweder mit einer Lenkwelle 3, dem Lenkritzel 4 oder der Zahnstange 6 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraft- Unterstützung trägt ein Hilfskraftmoment in die Lenkwelle 3, das Lenkritzel 4 und/oder in die Zahnstange 6 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird . Die drei unterschiedlichen in Figur 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungen 10, 100, 101 zeigen alternative Positionen für deren Anordnung . Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer Hilfskraftunterstützung belegt. Die Servoeinheit kann dabei als

Überlagerungslenkung an der Lenksäule oder als Hilfskraftunterstützungseinrichtung an dem Ritzel 4 oder der Zahnstange 6 angeordnet sein .

Figur 2 zeigt die Lenkwelle 3 umfassend eine Innenwelle 11 und eine koaxial dazu angeordnete Außenwelle 12. Die Innenwelle 11 ist gegenüber der Außenwelle 12 in Richtung der Längsachse L teleskopierbar. Die Innenwelle 11 weist einen Verzahnungsbereich 13 auf, welcher mit einer Vielzahl an Zähnen 14 versehen ist, welche sich in Richtung der Längsachse der Lenkwelle 3 erstrecken und eine Außenverzahnung bildet. Die Innenwelle 1 1 weist an ihrem der Außenwelle 12 abgewendeten Ende eine Gabel 110 eines Universalgelenks I I I auf. Die Außenwelle 12 weist eine zu dem Verzahnungsbereich 13, d . h . zur Außenverzahnung der Innenwelle 11, komplementäre Verzahnungsbereich 131 , d . h . eine Innenverzahnung mit einer Vielzahl an Zähnen 141, in der Ausnehmung 15 auf. Die Innenwelle 11 und die Außenwelle 12 stehen somit unter Zwischenschaltung einer Umspritzung 112 mit ihren

Verzahnungen in Eingriff, so dass eine Drehmomentübertragung möglich ist. Der Verzahnungsbereich 13 dient weiterhin als Führungselement für das Ineinander- und Auseinanderschieben der Wellen 1 1 , 12. Die Außenwelle 12 weist an ihrem der Innenwelle 11 abgewendeten Ende eine Gabel 120 eines Universalgelenks 11 1 auf. Um ein komplettes Herausziehen der Innenwelle 11 aus der Außenwelle 12 nach der Montage zu verhindern, kann eine Auszugssicherung 16, wie zum Beispiel eine Verstemmung, vorgesehen sein .

In Figur 3 ist die Innenwelle 1 1 im Detail dargestellt. Die Zähne 14 des

Verzahnungsbereichs 13 weisen Verunreinigungen 16 auf. Die Innenweiie 11 wird auf ihrer Oberfläche partiell mittels eines Lasers 17, wie in Figur 4 dargestellt, gereinigt. Dabei wird der Laser 17 kontinuierlich in Richtung der Längsachse L der Innenwelle 11 mit einer bevorzugt konstanten Vorschubgeschwindigkeit bewegt und die Innenweiie 11 rotiert dabei um ihre Längsachse L. Figur 5 zeigt die an ihrem einen Ende auf der Oberfläche gereinigte Innenwelle 11, wobei der gereinigte Abschnitt dem Verzahnungsbereich 13 entspricht, auf dem nachfolgend eine aus Kunststoff bestehende Umspritzung aufgebracht wird, wie dies beispielsweise aus der

DE102016203625B3 bekannt ist.

Alternativ kann es, wie in Figur 6 dargestellt, vorgesehen sein, dass der Laser 17 sich alternierend zwischen einem ersten Ende 301 der zu reinigen Oberfläche und einem zweiten Ende 302 der zu reinigen Oberfläche der Innenwelle 11 in Richtung der Längsachse L bewegt, wobei die Innenwelle 11 schrittweise rotiert.

Eine weitere Ausführungsform ist in Figur 7 gezeigt. Der Laser 17 wird kontinuierlich in Richtung der Längsachse L der Innenwelle 11 bewegt und die Welle 11 rotiert dabei um ihre Längsachse L. Der Laserstrahl wird dabei mit einer geeigneten Optik 18 aufgeweitet. Die Optik 18 kann dabei zumindest eine Linse umfassen.

Bevorzugt werden zwei Laser 17, wie in Figur 8 dargestellt, verwendet, wobei die Laserstrahlen 170 einen vordefinierten Winkel φ zueinander aufweisen. Der Winkel φ weist bevorzugt einen Wert zwischen 70° und 110° auf, besonders bevorzugt einen Wert von 90°. Dadurch bietet sich die Möglichkeit, auch ohne Umspannen der Innenwelle 11 Oberflächen von Hinterschneidungen zu reinigen, wie dies beispielsweise bei einer Verzahnung mit einer Vielzahl von Zähnen 14 der Fall sein kann.

Es ist ebenfalls denkbar und möglich, auch die Oberfläche des Verbindungs- bereich der Innenwelle 11, auf den die Gabel 110 aufgepresst wird, vor der Montage der Gabel 110 auf der Innenwelle 11 mittels eines Lasers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu reinigen.

In Figur 9 ist die Außenwelle 12 im Detail dargestellt. Die Außenwelle 12 umfasst einen Verzahnungsbereich 131 mit einer Vielzahl sich in Richtung der Längsachse L erstreckende Zähne 141 auf, wobei die Oberfläche des Verzahn- ungsbereich 131 eine Verunreinigung aufweist, die jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.

Die Oberfläche der Außenwelle 12 partiell mittels eines Lasers 17 gereinigt, wobei der Laserstrahl 170 über eine Optik 18 in Form einer Spiegelanordnung 171 auf die Oberfläche des Verzahnungsbereichs 131 gelenkt wird . Durch die Spiegelanordnung 171 ist es möglich, die Oberfläche in der Ausnehmung der Außenwelle 12 zu reinigen . Der Laser 17 ist außerhalb der Ausnehmung 15 der Außenwelle 12 angeordnet, wobei die Spiegelanordnung 171 zumindest teilweise in Ausnehmung 15 der Außenwelle 12 eingeschoben ist. Bei der

Reinigung der Oberfläche wird der Laser 17 zusammen mit der Spiegelanordnung 171 kontinuierlich in Richtung der Längsachse L der Außenwelle 12 mit einer bevorzugt konstanten Vorschubgeschwindigkeit bewegt und die Außenwelle 12 rotiert dabei um ihre Längsachse L. Bei einem Reinigungsvorgang der inneren Oberfläche der Außenwelle 12 wird die Spiegelanordnung 171 in die Ausnehmung 15 hinein und wieder heraus bewegt.

Eine zweite Ausführungsform der Oberflächenbearbeitung der Außenwelle 12 mittels Laser ist in Figur 10 gezeigt. Der Laser 17 wird kontinuierlich in die Ausnehmung 15 der Außenwelle 12 in Richtung der Längsachse L hinein bewegt und die Welle 11 rotiert dabei um ihre Längsachse L. Der Laser 17 dieser zweiten Ausführungsform weist einen zweistrahligen Laser auf, wobei die Laserstrahlen 170 in entgegengesetzter Richtung orthogonal zur

Längsachse L strahlen und die innere Oberfläche des Verzahnungsbereichs 131 der Außenwelle reinigen .

Eine dritte Ausführungsform der Oberflächenbearbeitung der Außenwelle 12 mittels Laser ist in Figur 11 gezeigt. Der Laser 17 wird kontinuierlich in

Richtung der Längsachse L der Außenwelle bewegt und die Außenwelle 12 rotiert dabei um ihre Längsachse L. Der Laser 17 und somit der Laserstrahl 170 ist geneigt zur Längsachse L der Außenwelle 12 angeordnet, wobei der Laser 17 außerhalb der Ausnehmung 15 der Außenwelle 12 angeordnet ist, jedoch der Laserstrahl 170 in die Ausnehmung 15 hinein strahlt und auf die innere Oberfläche des Verzahnungsbereichs 131 trifft. Die Oberflächen der Innenwelle oder der Außenwelle können mittels Laser partiell im Funktionsbereich ohne Auswirkungen auf relevante Korrosionsschutzschichten gereinigt bzw. entschichtet werden. Durch gleichzeitige Strukturierung können je nach Anwendungsfall die Oberflächen zusätzlich strukturiert werden.

Die mittels Laser gereinigten Oberflächen weisen eine homogenere Oberflächenstruktur und-rauigkeit auf, was die Performance der Lenkwelle in Bezug auf die Verschiebekraft und die Steifigkeit deutlich verbessert.

Die partielle Bearbeitung spielt eine Rolle zum Beispiel für die Galvanik oder den Spritzgussprozess, bei denen die Oberfläche gereinigt bzw. entschichtet werden muss (Zunder beim Härten, Rückstände in der Galvanik,

Verschmutzungen mit Prozessstoffen z. B. Zieprozess oder mechanische Bearbeitung).

Bevorzugt handelt es sich um eine gepulste Laserstrahlung . Vorteilhafterweise ist die Pulsfrequenz zwischen 100 kHz und 300 kHz und die mittlere Laserleistung etwa 100 Watt. Ein diodengepumpter Festkörperlaser ist vorteilhaft, insbesondere ein Laser mit einer Wellenlänge von 1064nm, z. B. ein NdYAG- Laser.

Das Laserreinigen bringt den Vorteil, dass gezielt nur die Funktionsflächen der Lenkwelle gereinigt werden können und somit die Taktzeit reduziert werden kann. Weiterhin können durch die Laserreinigung die Anforderungen an das Halbzeug der Welle reduziert werden. Ebenfalls kann auf den Einsatz von Reinigungsmittel verzichtet werden, was eine Kostenreduktion bedeutet.

Das Laserreinigen kann bei allen möglichen Schiebeverbindungen, z. B.

Grobzahn, Vielzahn, Rollschiebewelle, Kleeblatt und deren Kombinationen, zum Einsatz kommen und ist nicht begrenzt auf die hier gezeigten Ausführungsformen.