用于在转向齿条上机械加工变齿距齿接部的方法与流程

本发明涉及用于制造齿条(即，齿杆)的方法，所述齿条旨在用于例如在车辆中使用的转向机构。

背景技术：

在一些应用中，具有可变齿距齿条(即，其齿接部具有非恒定的齿距(两个连续齿之间的距离))是有用的。齿条一方面包括由齿形成的齿接部，并且另一方面包括与齿接部相反的齿接部的背部。此外，齿包括第一齿面和第二齿面，第二齿面通常与第一齿面对称；以及将第一齿面连接至第二齿面的齿顶。

这种可变齿距确实允许在齿条和与之啮合的小齿轮之间赋予可变的传动比。

因此，例如，通过使用较小的齿距，也就是说齿在齿条的中部比在所述齿条的端部更靠近在一起，获得了转向控制的渐进性，其在直线的附近对于方向盘的小位移更精确，并且在方向盘的大位移期间，当转弯或停车操纵时更快。

为了制造这种齿条，尤其已知一种锻造方法，在该方法期间，待形成的杆在两个主冲头之间被竖直地压缩，所述主冲头包括形成支承抵靠该杆的背部的托架的下部冲头以及形成该杆的相反面上的齿的带齿上部冲头。

在该方法期间，两个竖直冲头的动作必须由两个侧向冲头的同时动作来补充，所述两个侧向冲头将该杆的材料推回并将该杆的材料提升为抵靠带齿上部冲头。这种方法允许确保带齿上部冲头的填充。

如果这种通过锻造的制造总体上给出了大致令人满意的结果，那么它仍然包括一些缺点。

首先，该方法相对不精确，因此齿的尺寸公差可能达到十分之几毫米，这与精确且平滑的啮合很难相容。

这种方法在沿着齿条的纵向轴线的相对于齿接部的齿接部的背部的位置上非常分散，为+/-0.3mm(而在机械加工中，可以容易地达到+/-0.06mm)，这可能产生引导问题。

根据一些齿的齿面的与齿轮变速相关联的凹形/凸形形状，可能无法通过锻造获得一些设计。

此外，侧向冲头倾向于改变杆的截面，并且特别是使所述截面狭窄，这使所述杆对弯曲更敏感。

此外，锻造需要加热齿条，这造成了使材料退火导致所述齿条的在机械强度极限上的降低。

此外，锻造不允许加工深齿，通过这种方法可能达到的齿的最大高度实际上被限制在大约3.5mm。

此外，锻造方法导致齿的表面在其之间通过曲面而不是锋利边缘连接，这减少了齿条与小齿轮的接触表面，并促进了接触压力上的增加。

最后，锻造需要庞大且非常昂贵的工具(其保留了这种方法以用于大规模生产)，并且不允许改变齿条的规格。

相反，对于特殊齿条的单元生产来说，采用由球头铣刀构成的切削工具进行机械加工也是已知的。

这种机械加工方法允许达到更高的尺寸精度，其中公差远低于十分之一毫米。

然而，使用这种通过球头铣刀进行修整的方法大大增加了制造时间(“周期时间”)，该制造时间可能达到几个小时(取决于齿的数量和每个齿面的凹形或凸形形状，每个齿条从2h到4h)。

因此，通过球头铣刀类型的切削工具的机械加工不适合于可变齿距齿条的大规模生产。

技术实现要素：

因此，分配给本发明的目的在于克服上述缺点，并提出一种用于制造变齿距带齿齿条的新方法，其允许快速且精确的制造，并且该方法实施起来并不昂贵。

分配给本发明的目的借助于一种用于在齿条上机械加工变齿距齿接部的方法来实现，所述方法表征为，其通过一种机床来实施，所述机床设置有不同于球头铣刀的旋转切削工具，并且所述机床包括允许相对于齿条定位所述切削工具的至少五个轴线，即形成三维空间的第一平移轴线、第二平移轴线和第三平移轴线，允许绕着平行于第一平移轴线的偏转轴线改变偏转位置的第一旋转轴线，以及允许绕着第二平移轴线定向滚动位置的第二旋转轴线，并且所述方法包括至少一个切割阶段，在切割阶段期间，通过在同一迭代期间同时改变所述五个轴线中的每一个的空间控制分量而在“五个连续轴线”上控制所述工具，而切削工具旋转并被施加成与被修整的齿的表面接触。

物体的偏转运动是物体绕着竖直轴线的水平旋转运动。偏转运动对应于物体的连续的偏转位置。

物体的滚动运动是物体绕着其纵向轴线的旋转运动。

有利地，发明人确实已经发现，在五个轴线上的持续控制(也就是说，通过根据上文所述的并且明智选择的五个轴线中的每一个而在几个连续迭代期间刷新并适配每个迭代)可以在修整期间在任何时间都遵循齿的齿面的表面的轮廓，并且这包括了非球形切削工具，并且特别是柱形切削工具，比如盘形铣刀(其具有比球形球头铣刀的能力大得多的材料移除能力)。

因此，使用适当构造的五轴线机器使得使用不同于球头铣刀的切削工具，特别是在单位时间内移除的材料量的方面上更有效并且表现出更高效率的切削工具成为可能。

因此，本发明有利地允许将机械加工的高精度与每个齿的非常短的周期时间相结合，取决于齿的齿面的曲率，即齿的齿面的表面的轮廓，所述周期时间被包括在2与10分钟之间。

根据本发明的方法因此允许获得时间和精度。

最后，本发明具有很大的通用性，在某种程度上来说，如果必要的话它允许通过改变机床的机械加工程序通过限定期望的齿条的齿接部定义计算文件来快速改变制造范围(齿条的尺寸、齿接部的数量、齿廓等)，而不需要制造新的模具。

根据齿的齿面的表面的轮廓，可能需要根据齿的齿距连续使用不同形状的切削工具。当这些切削工具预先定位在机床的料盒中时，它们可以被快速更换。

附图说明

本发明的其它目的、特征和优点将在阅读下面的描述以及使用附图时更详细地呈现，这些附图是为了纯粹的说明性和非限制性的目的而提供的，图中：

图1在示意性立体图中示出了用于车辆的转向机构的一部分，其包括与根据本发明的方法制造的可变齿距带齿齿条啮合的小齿轮。

图2在所述变齿距齿接部的正交平面中的局部截面图中示出了齿截面，其示出了压力角。

图3在突出部中的局部视图中从上方示出了变齿距齿接部的齿，其示出了螺旋角。

图4示出了在根据本发明的方法中的根据可以被用作切削工具的第一实施例的盘形铣刀的示例。

图5示出了在根据本发明的方法中的根据可以被用作切削工具的第二实施例的盘形铣刀的示例。

图6在示意性立体图中示出了根据本发明的五轴线机床布置的示例。

图7在细节图中示出了按照根据本发明的方法借助于根据第一实施例的盘形铣刀对变齿距齿接部的机械加工。

图8在细节图中示出了按照根据本发明的方法借助于根据第二实施例的盘形铣刀对变齿距齿接部的机械加工。

图9示出了取决于小齿轮的旋转的变齿距齿条的传动比。

具体实施方式

本发明涉及一种在齿条2上机械加工变齿距齿接部1的方法。

术语“机械加工方法”意指一种借助于可移动切削工具3，优选地是旋转切削工具3(比如铣刀)通过切削切屑来移除材料的方法，所述切削工具绕着其自身的中心轴线l3而被旋转驱动以获得切削效果。

为了使用所述齿条时的机械强度问题，齿条2通过在直线杆(优选为金属杆)中切削齿接部1而制成。

齿接部1具有可变齿距p1，也就是说，轴向分隔两个连续齿4的间隔p1沿着齿条2的纵向轴线l2根据所述齿4的位置和曲率而变化。

这尤其允许根据所考虑的啮合区域来改变传动比。

因此，在用于车辆的转向机构5的示例(比如图1所示的转向机构)中，其中齿条2与小齿轮6啮合，该小齿轮本身例如通过辅助马达和/或通过连接至方向盘的转向柱7来驱动，短齿距p1可以设置在齿条2的中部区域8中，以便获得在直线附近处的转向操纵中的较大精确度，接着在远离中部区域朝向齿条的端部区域9、10移动时增加齿距p1，以便加速大尺度运动，尤其是在停车操纵期间。在中部区域8和端部区域9、10中的转向运动的行为上的差异通过图9的曲线20来表示，其示出了根据小齿轮6的旋转(小齿轮旋转角)的变齿距齿条2的传动比。对于接近0°的小齿轮旋转角6，也就是说在中部区域8中，传动比基本上是恒定的，以便改善直线上的驾驶精度和方向盘感觉。而对于基本上被包括在20°和100°之间以及-20°和-100°之间的小齿轮6的旋转的角度，也就是说在端部区域9、10中，传动比急剧增加，由此允许改善车辆的轨迹。

根据本发明，所述方法通过设置有不同于球头铣刀的旋转切削工具3的机床11来实施。

有利地，这种类型的切削工具3(该切削工具为非球形，并且更具体地围绕中心轴线l3形成盘形)在每个工具回旋以及由此的每单位时间移除的材料的量的方面上允许获得比球头铣刀的效率更高的效率。

通常，金属移除速率使用以下公式计算:

q＝(ap×ae×vf)/1000

其中，ap是一次通过的轴向深度，单位为mm，ae是一次通过的径向深度，单位为mm，并且，vf是工具进给速度，单位为mm/min。

因此，在当前切割条件下获得了以下结果:

-盘形:q＝14.73cm³/min

-球形q＝0.84cm³/min

-球形q＝0.273cm³/min

-球形q＝0.049cm³/min

优选地，切削工具3由盘形铣刀形成，比如图7或图8，或者图4和5中的截面所表示的。

盘形铣刀为径向宽于轴向(相对于中心轴线l3)厚度的圆盘的形式，并且其周边衬有切削齿12(通常称为嵌入件)。

根据本发明并且如图6所示，机床11包括允许相对于齿条2定位切削工具3的至少五个轴线x、y、z、b、c，或者甚至恰好五个轴线，即：第一平移轴线z；垂直于第一平移轴线z的第二平移轴线y；以及垂直于前两个轴线的第三平移轴线x，使得三个平移轴线x、y、z形成三维空间；还有允许绕着平行于第一平移轴线z的偏转轴线z13改变偏转位置的第一旋转轴线c；以及允许绕着第二平移轴线y定向滚动位置的第二旋转轴线b

优选地，第一平移轴线z相对于其上紧固有齿条2的转台13是竖直的，其它两个轴线y、x是水平的，也就是说平行于转台13的平面。

这些平移轴线x、y、z例如可以通过直线电动平移台，例如带有滚珠丝杠或直线支承轨道的平移台来具体化。

三维空间x、y、z有利地限定了与机床11的框架相关联的机器坐标系。

根据第一实施例，第一旋转轴线c允许改变切削工具3相对于齿条2的偏转位置，而第二旋转轴线b允许定向齿条的滚动位置。

根据第二实施例，第一旋转轴线c允许改变齿条2相对于切削工具3的偏转位置，而第二旋转轴线b允许定向切削工具的滚动位置。

在本描述的剩余部分中，为了清楚起见，我们将参考第二实施例。

优选地，齿条2绕着第一偏转旋转轴线c，z13的定位(也称为偏转定向)将借助于以轴线z13为中心并安装在机床11的框架上的转台13来执行。

优选地，齿条2将借助于具有夹爪15、16的凸缘14紧固在所述转台13上。

滚动定向b通过使机器的工具头17以及由此的切削工具3的中心轴线l3枢转地绕着第二平移轴线y倾斜来执行。

根据本发明，所述方法包括至少一个切割阶段，在该切割阶段期间，通过在同一迭代期间同时改变所述五个轴线x、y、z、b、c中的每一个的空间控制分量，切削工具3在“五个连续轴线”上被控制，同时切削工具3旋转并且被施加与被修整的齿4的表面(持续地)接触。

“持续”操作在同一迭代期间并且因此几乎同时地由以下构成：一方面，在平移轴线x、y、z中的每一个上改变工具头17以及由此的切削工具3的位置，因此在三个机动的平移轴线x、y、z中的每一个上致动特定平移移位；另一方面，通过在这两个机动的偏转旋转轴线c和机动的滚动旋转轴线b中的每一个上致动特定旋转移位，在对应的旋转轴线c、b中的每一个上改变工具头17以及由此的切削工具3的偏转和滚动定向。

有利地，五个轴线x、y、z、b、c中的每一个特定的位置设定点(相应地，定向设定点)在每次迭代中因此被刷新和改变，在多个连续迭代期间被重复，并且这使得切削工具3一直重新定位且没有急动，而不需要中断切削工具3在其中心轴线l3上的旋转或者不需要将切削工具3从待机械加工的齿4的表面上移除，并从而在每个所考虑的时刻，根据正交于待机械加工的表面的向量，在所考虑的(空间)点处使切削工具3的切削边缘适当地定向。

这种持续的五轴线控制有利地允许可以通过非球形切削工具3高效率地修整齿4的左表面，并且该切削工具将总是“贴附”到待修整表面(所述切削工具3在其上(与之接触)移位)。

应当注意，上述五个轴线对于所述方法的实施是足够的。

在这种情况下，机床11可以设置有更多的轴线，并且特别是六个轴线，只要在这六个轴线中，有以上的五个轴线，并且只要所述五个轴线被持续地致动。

有利地，通过第一偏转旋转轴线c和第二滚动旋转轴线b所准许和监测的切削工具3相对于齿条2的相对姿态的改变，允许在任何时候使切削操作适配螺旋角β(偏转c)和压力角α(滚动b)，并且希望在所考虑的时刻和点处将所述螺旋角β(偏转c)和压力角α(滚动b)施加至齿4的齿面。

因此，根据可以构成完整发明的优选特征，不管尤其是所使用的切削工具3的类型如何，在修整期间齿4具有螺旋角β，并且在修整期间齿4的螺旋角β的控制被分配给第一偏转旋转轴线c。

通过实时调节并改变第一偏转旋转轴线c的空间控制分量(也就是说，偏转旋转轴线c的偏转定向设定点，本文是转台13的偏转定向设定点)，定向设定点也沿着轴线x和y改变。因此，在所考虑的时刻，切削工具3的空间构造适配于齿4的表面的所考虑点处的期望的螺旋角β。

类似地，根据可以构成完整发明的优选特征，在修整期间齿4的压力角α的控制被分配给第二滚动旋转轴线b。

通过实时调节和改变第二滚动旋转轴线b的空间控制分量(也就是说，工具头17的倾斜定向设定点)，定向设定点也沿着第一偏转旋转轴线c改变，并且因此，设定点也沿着三个平移轴线x、y、z改变。因此，在所考虑的时刻，切削工具3的空间构造适配于齿4的表面的所考虑点处的期望的压力角β。

特别优选地，螺旋角β借助于第一偏转旋转轴线c，z13来管理，并且明显地，压力角α借助于第二滚动旋转轴线b来管理。

优选地，所述方法包括编程步骤，在编程步骤期间，借助于计算机和计算机辅助制造(cam)软件生成用于控制机床11的文件，所述文件包括：沿着第一平移轴线、第二平移轴线和第三平移轴线x、y、z中的每一个的待机械加工表面的目标点的坐标(x、y、z)；取决于预期用于待修整表面的螺旋角β，沿着第一旋转轴线c的用于控制齿条2的设定点，本文中更具体地为转台13的偏转定向设定点；以及，取决于期望用于待修整表面的压力角α，沿着第二旋转轴线b的滚动控制指令。

在另一个实施例中，用于控制机床11的文件还包括在所考虑点处垂直于待机械加工表面的向量的坐标(nx，ny，nz)。

因此，借助于具有简单且相对紧凑的结构的控制文件，可以容易地使齿条2的生产自动化以及使生产范围中的可能变化(通过在范围的每次变化时简单地根据对应的新的cad数据重新编译新的控制文件)自动化。

此外，本发明将涉及这种具有五个连续轴线x、y、z、b、c的机床11的使用，所述机床设有不同于球头铣刀的旋转切削工具3，以用于在齿条2上，并且更具体地在转向齿条2上机械加工具有变齿距p1的齿接部1。

本发明还涉及设置有根据本发明的方法获得的齿条2的辅助转向系统，以及配备有这种动力转向系统的车辆。

当然，本发明绝不限于上述唯一的变型，本领域技术人员尤其能够将上述特征分离或自由组合在一起，或者用等同物来替代它们。