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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads
mit wenigstens einer Verzahnung mit vorgegebener Soll-Verzahnungsgeometrie,
wobei das Zahnrad aus wenigstens zwei Einzelteilen in einem Fügeverfahren
gefügt
wird und zumindest ein Einzelteil eine Verzahnung aufweist.
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Solche
Zahnräder
sind als Bestandteil eines Synchronisierungssystems eines Schaltgetriebes
allgemein bekannt, wobei ein Kupplungskörper als Ringteil mit Verzahnung
auf einen Ringfortsatz eines Schaltrads gefügt und ggf. anschließend wärmebehandelt
wird.
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Dadurch
entstehen beim Fertigteil Verzahnungsabweichungen an den Synchronverzahnungen.
Diese Verzahnungsabweichungen sind bedingt durch das Fügeverfahren,
insbesondere bei Fügeverfahren
mit Wärmeeinleitung,
wie z. B. Schweißen oder
Löten und/oder
durch eine Wärmebehandlung. Solche
Verzahnungsabweichungen gegenüber
einer Soll-Verzahnungsgeometrie treten insbesondere an Stellen auf,
die die Materialkontinuität
des Bauteils (z. B. an Mitnehmernuten) oder eines Fügeprozesses
(z. B. am Schweißbeginn
oder Schweißende)
stören.
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Die
größten Einflussfaktoren
beim Auftreten von Verzahnungsabweichungen gegenüber einer Soll-Verzahnungsgeometrie
des gefügten
Fertigteils sind das Fügeverfahren
an sich, die Geometrie der Fügeteile
und die Wärmebehandlung.
Je nach den konkreten Gegebenheiten liegen diese Einflussfaktoren
in unterschiedlicher Größe vor und
die hervorgerufenen Verzahnungsabweichungen bzw. nicht erwünschte Verzahnungsgeometrien
treten an unterschiedlichen Stellen und in unterschiedlicher Quantität am gefügten Fertigteil
auf.
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Diese
Verzahnungsabweichungen und Verzahnungsfehler führen nachteilig zu ungleichmäßig belasteten
Zähnen
der Verzahnung bzw. zur Belastung nur bestimmter Zähne. Hauptsächlich können Teilungsabweichungen
als Summen- und Einzelteilungsfehler und die damit im Zusammenhang
stehenden Rundlaufabweichungen auftreten, was konkret zum radialen
Hochstehen oder in Umfangsrichtung Vorstehen einzelner Zähne führt.
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Die
Folge solcher Verzahnungsabweichungen können nachteilig Komfortstörungen bezüglich des
Synchronisationsablaufs bis hin zu Zahnbrüchen sein, die zur Unbrauchbarkeit
des Getriebes führen. Allgemein
wird durch solche Verzahnungsabweichungen die Verzahnungstragfähigkeit
reduziert.
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Zur
Reduzierung der vorstehenden Probleme von fügebedingten und wärmebehandlungsbedingten
Verzahnungsabweichungen ist es allgemein bekannt, die Verzahnungen
mit einer Feinbearbeitung am gefügten
Fertigteil mit hohem Aufwand nachzubearbeiten. Verfahren und Feinbearbeitungsmaschinen
dazu sind bekannt (
EP
631 211 B1 ;
DE 371
24 54 A1 ).
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Weiter
ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur
Herstellung eines Bogenzahnkegelrades bekannt (
DE 39 37 112 A1 ), bei dem
die Boden-Zahnzwischenräume
so ausgebildet sind, dass sie entsprechend der Verformung, die von
dem Einsatzhärten bzw.
Wärmebehandlung
zu erwarten ist, versetzt sind, um diese Verformungen zu kompensieren.
Konkret wird hier bei der Erzeugung der Verzahnung an einem Rohteil
ein Betrag der Verformung jedes der Boden-Zahnzwischenräume berücksichtigt und mit angerechnet.
Mit dieser Maßnahme
soll erreicht werden, dass beim Schleifen des Zahnkörper-Rohteils mittels
einer Schleifscheibe dieselbige relativ zu dem Zahnschlitz oder
Zahnzwischenraum des Zahnkörper-Rohteiles
genau und wie gewünscht
positioniert werden kann, so dass es möglich ist, einen punkt- oder
linienförmigen
bzw. örtlichen
Verschleiß der Schleifscheibe
zu verhindern und daher deren Lebensdauer zu verlängern. Das
Zahnrad ist hier kein Bestandteil eines Synchronisierungssystems
in einem Schaltgetriebe, das zweiteilig aus einem Kupplungskörper mit
Verzahnung und einem Schaltrad hergestellt wird und der Kupplungskörper auf
das Schaltrad gefügt
wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung
eines Zahnrads so weiterzubilden, dass am Fertigteil keine fügebedingten
und wärmebehandlungsbedingten
Verzahnungsabweichungen auftreten oder diese zumindest erheblich
reduziert sind.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß Anspruch
1 wird das Zahnrad als Bestandteil eines Synchronisierungssystems
in einem Schaltgetriebe verwendet und zur Herstellung des Zahnrads
wird ein Kupplungskörper
mit Verzahnung als Einzelteilring auf ein Schaltrad gefügt und gegebenenfalls
anschließend
wärmebehandelt.
Der Kupplungskörper
wird in einem ersten Fügeschritt
mit definiertem Übermaß auf das
Schaltrad aufgepresst und in wenigstens einem weiteren Fügeschritt
entlang der Fügestelle
zumindest segmentweise mit dem Schaltrad verschweißt und gegebenenfalls
einer Wärmebehandlung
unterzogen. Dabei wird eine Vorhaltung einer Verzahnungsabweichung
am Kupplungskörper
und/oder am Schaltrad durch einen gezielt zumindest teilweise abweichend
hergestellten Fügedurchmesser
realisiert.
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Damit
wird vorteilhaft erreicht, dass die Einzelteile ggf. auch in einem
Zwischenfügeschritt
durch Vorhaltungen in dem Maße
beeinflusst werden, dass durch den gesamten Fügeprozess, ggf. mit anschließender Wärmebehandlung die
Verzahnungsqualität der
Zähne am
gefügten
Fertigteil zueinander optimiert ist. Damit wird die Verzahnungstragfähigkeit
sowie die gewünschte
Funktion und Haltbarkeit, regelmäßig ohne
aufwendige Nachbearbeitung der Verzahnung verbessert und gewährleistet.
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Um
am gefügten
Fertigteil Verzahnungsabweichungen zu vermeiden oder zumindest erheblich zu
reduzieren, werden nachfolgend weitere Möglichkeiten und ergänzende Maßnahmen
von Vorhaltungen einer Verzahnungsabweichung erläutert und beansprucht, wobei
diese Maßnahmen
zur Erzielung guter Ergebnisse je nach den konkreten Gegebenheiten
auch kombiniert werden können.
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Nach
Anspruch 2 soll eine Vorhaltung einer Verzahnungsabweichung am Kupplungskörper durch eine
gezielt von der Soll-Verzahnungsgeometrie des gefügten Fertigteils
abweichende Verzahnung fertigungstechnisch durch Spanen und/oder
Umformen und/oder Urformen hergestellt werden. Mit einer weiteren
Maßnahme
kann nach Anspruch 3 eine Vorhaltung einer Verzahnungsabweichung
am Kupplungskörper über eine
definierte Werkstückaufnahme,
insbesondere durch unrundes Spannen und Verzahnen erzeugt werden.
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Entsprechende
Maßnahmen
für eine
Vorhaltung einer Verzahnungsabweichung sind prinzipiell auch am
Schaltrad möglich
und können
ggf. mit den vorstehenden Maßnahmen
am Kupplungskörper kombiniert
werden. Eine Vorhaltung einer Verzahnungsabweichung am Schaltrad
kann nach Anspruch 4 durch eine gezielt abweichende Fügestelle fertigungstechnisch
durch Spanen und/oder Umformen und/oder Urformen hergestellt werden.
Nach Anspruch 5 ist eine Vorhaltung am Schaltrad auch über eine
definierte Werkstückaufnahme,
insbesondere durch unrundes Spannen möglich.
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Anstelle
oder zusätzlich
zu den vorstehend beschriebenen Vorhaltungen sind nach Anspruch
6 Maßnahmen
zur Realisierung einer Vorhaltung einer Verzahnungsabweichung auch
vor und/oder während
des Endfügeschritts
mechanisch durch elastische, ggf. plastische Verformung der zu fügenden Einzelteile
möglich
und/oder durch Aufheizen lokaler Bereiche.
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In
einer an sich bekannten Ausführungsform nach
Anspruch 7 weist der Kupplungskörper
mindestens drei radial nach innen offene oder geschlossene Mitnehmertaschen
auf und wird entsprechend seinem Fügedurchmesser auf das Schaltrad
aufgepresst. Als Vorhaltungen sind zu einer oder zu beiden Seiten
der Mitnehmertaschen jeweils ein Spalt bestimmter Spaltbreite und
Spaltlänge
vorgesehen, so dass dort der Durchmesser größer als der Fügedurchmesser
ist. Anschließend
wird der Kupplungskörper
mit dem Schaltrad zwischen den Mitnehmertaschen an den Fügestellen
segmentweise verschweißt
und das gefügte
Zahnrad wird weiter noch einer Wärmebehandlung
unterzogen. Trotz der Unterbrechung der Bauteilkontinuität an den
Mitnehmertaschen in Verbindung mit der segmentweisen Verschweißung wird
hier durch die spaltförmigen Vorhaltungen
ein gefügtes
Fertigteil ohne Verzahnungsabweichungen mit hoher Verzahnungsqualität erhalten.
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Anhand
einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Zahnrad eines Synchronisierungssystems eines Zahnräderwechselgetriebes
gefügt aus
einem Kupplungskörper
und einem Schaltrad nach dem Stand der Technik,
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2 den
auf das Schaltrad gemäß 1 aufgesteckten,
jedoch noch nicht verschweißten Kupplungskörper in
einer Einzeldarstellung,
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3 ein
Zahnrad entsprechend 1 jedoch mit erfindungsgemäßen definierten
Vorhaltungen von Verzahnungsabweichungen bei einem aufgepressten,
jedoch noch nicht verschweißten
Kupplungskörper,
und
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4 den
auf das Schaltrad aufgepressten, jedoch noch nicht verschweißten Kupplungskörper mit
den vorgehaltenen Verzahnungsabweichungen in Einzeldarstellung.
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In 1 ist
ein Zahnrad 1 eines Synchronisierungssystems eines Zahnradwechselgetriebes gezeigt,
welches aus einem Schaltrad 2 und einem Kupplungskörper 3 besteht.
Der Kupplungskörper 3 ist
auf einen Ringfortsatz 4 des Schaltrads mit definiertem Übermaß in einem
ersten Fügeschritt
aufgepresst (Fügedurchmesser 5).
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Der
Kupplungskörper 3 weist
nach radial innen drei am Umfang versetzte Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c auf.
In einem weiteren Fügeschritt
wird der Kupplungskörper
am Fügedurchmesser 5 zwischen den
Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c segmentweise
verschweißt,
wobei die Schweißrichtung
mit dem Pfeil 7 angegeben ist. Anschließend erfolgt zur Herstellung des
Fertigteils noch eine Wärmebehandlung.
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In 2 ist
der Kupplungskörper 3 in
seinem aufgepressten Zustand noch vor einer Verschweißung dargestellt
(wegen der besseren Übersichtlichkeit
als Einzeldarstellung ohne das Schaltrad 2). Durch die
gestörte
Ringkontinuität
des Kupplungskörpers
aufgrund der Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c und
in Verbindung mit dem Aufpressprozess haben Messungen und Berechnungen
ergeben, dass die Zähne
jeweils in den Bereichen der Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c radial
etwas nach innen stehen. Besonders kritisch sind die Bereiche neben
den Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c, von
denen beispielhaft ein Bereich 8 an der Mitnehmertasche 6c ebenso
wie das radial nach innen stehen (Pfeil 9) markiert sind.
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Ausgehend
von dieser Situation und Verzahnungsgeometrie nach dem Aufpressen
wird im nächsten
Fügeschritt
der Kupplungskörper 3 segmentweise
zwischen den Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c entlang
der Fügestelle
am Fügedurchmesser 5 mit dem
Schaltrad 2 verschweißt
mit nachfolgender Wärmebehandlung
und Fertigbearbeitung. Durch den Schweißprozess verstärkt durch
die nachfolgende Wärmebehandlung
ergibt sich nun eine (nicht dargestellte) andere Verzahnungsgeometrie,
wobei nun die Zähne
im Mittelteil der Seg mente zwischen den Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c relativ
radial nach innen stehen. In Richtung der Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c wird
demgegenüber
der Radius des Zahnkranzes größer und
erreicht über
den Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c jeweils
sein Maximum, wodurch dort, insbesondere in den Bereichen 8 die
Zähne relativ
radial nach außen
vorstehen.
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Beim
fertigen Zahnrad 1 kommt es daher im Betrieb zum Tragen
einzelner Zähne
bzw. höherer Belastung
einzelner Zähne,
insbesondere in den Bereichen 8, in dessen Folge es zu Überbeanspruchungen
und Zahnbrüchen
kommen kann.
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Nach
der vorstehenden Erläuterung
der Problematik im Stand der Technik wird nun anhand der 3 und 4 ein
entsprechendes Zahnrad 1 mit den erfindungsgemäßen Verbesserungen
dargestellt. Gleiche Merkmale aus den 1 und 2 und
den 3 und 4 werden mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet.
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In 3 ist
ebenfalls ein Zahnrad 1 als Bestandteil eines Synchronisierungssystems
eines Zahnradwechselgetriebes dargestellt, welches aus einem Schaltrad 2 und
einem Kupplungskörper 3 gefügt ist.
Der Kupplungskörper 3 wird
in einem ersten Fügeschritt
auf einen Ringfortsatz 4 des Schaltrads 2 aufgepresst
(Fügedurchmesser 5).
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Der
Kupplungskörper 3 weist
radial nach innen offene, versetzt zueinander liegende Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c auf.
In einem weiteren Fügeschritt wird
der Kupplungskörper 3 mit
dem Ringfortsatz 4 des Schaltrads 2 an der Fügestelle
(Fügedurchmesser 5)
segmentweise zwischen den Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c verschweißt. Die
Schweißrichtung ist
mit Pfeil 7 angegeben.
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Die
oben anhand der 1 und 2 erläuterten
festigkeitseinschränkenden
Verzahnungsabweichungen am Fertigteil durch Hochstehen der Zähne im Mitnehmertaschenbereich
(Bereich 8) nach dem Stand der Technik sollen erfindungs gemäß durch
ein gezieltes Vorhalten von konträren Verzahnungsabweichungen
am Kupplungskörper 3 minimiert
oder eliminiert werden.
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Dazu
ist am Fügedurchmesser 5 der
Kupplungskörper 3 mindestens
einseitig, hier im dargestellten Ausführungsbeispiel beidseitig im
Anschluss an die Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c,
insbesondere unter den kritischen Verzahnungsbereichen 8 (sh. 1)
in einem definierten Bereich durch Spalte 9a', 9a'', 9b', 9b'', 9c', 9c'' ausgenommen,
d. h., dass dort der Durchmesser gegenüber dem Fügedurchmesser 5 größer ist.
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Beim
Aufpressen des so ausgebildeten Kupplungskörpers 3 auf den Ringfortsatz 4 des Schaltrads 2 wird
am Fügedurchmesser 5 eine
definierte Presspassung erzeugt, bis hin zu den ausgenommenen Spalten 9a, 9b, 9c.
Diese Spalten 9a, 9b, 9c ermöglichen
den darüberliegenden
Bereichen der kritischen Zähne
die Möglichkeit
einer weiteren Einschnürung
radial nach innen:
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4 zeigt
dazu den Kupplungskörper
im aufgepressten Zustand (zur besseren Übersichtlichkeit in einer Einzeldarstellung
ohne das Schaltrad 2). Ein Vergleich zwischen 2 und 4 zeigt,
dass in 4 beim Kupplungskörper mit
den Spalten 9a, 9b, 9c die Absenkung
(Pfeil 9) der kritischen Zähne im Bereich der Mitnehmertaschen,
insbesondere in den Bereichen 8 deutlich größer ist
(bei den Darstellungen der Kupplungskörper 3 in den 2 und 4 handelt
es sich um Abbildungen aus Spannungsberechnungsmodellen nach der
FEM-Berechnungsmethode, wobei die Biegung der Kupplungskörper und
damit die Absenkungen der kritischen Zähne nicht maßstabsgetreu
sondern überzeichnet dargestellt
sind).
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Auch
bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Kupplungskörpers
entsprechend der 3 und 4 wölbt sich
jeweils der im aufgepressten Zustand vorerst abgesenkte Bereich
der kritischen Zähne
durch den nachfolgenden Schweißprozess
an den Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c auf.
Dies wird durch eine nachträgliche
Wärmebehandlung
noch verstärkt.
Da aber aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahme mit den Spalten 9a, 9b, 9c die
Absenkung als vorgehaltene Verzahnungsabweichung (4)
größer war
als im Stand der Technik (2) ist die
prozessbedingte Aufwölbung
durch den Schweißprozess
und den Wärmebehandlungsprozess
im Bereich der Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c bei geeigneter
Wahl der Spaltbreiten und Spaltlängen der
Spalte 9a, 9b, 9c gerade so groß, dass
eine Summierung der geometrieändernden
Effekte zu einer gleichmäßigen, kreisrunden
Verzahnungsgeometrie mit hoher Verzahnungsqualität ohne vorstehende Zähne im Bereich
der Mitnehmertaschen 6a, 6b, 6c beim
Fertigteil führt.