DE102005060999A1

DE102005060999A1 - Zahnrad

Info

Publication number: DE102005060999A1
Application number: DE200510060999
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Stritzel
Original assignee: Saxonia Umformtechnik GmbH
Current assignee: Saxonia Umformtechnik GmbH
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-06-21

Abstract

Zahnrad mit einem oder zwei in axialer Richtung beabstandeten, drehfest zueinander angeordneten Ritzeln, welches bei ausreichender Belastbarkeit einfach und kostengünstig ist, wobei das Ritzel und die Tragbuchse als separate Teile hergestellt und drehfest miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, sind. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Zahnrades hat folgende Schritte: Herstellen einer Tragbuchse, Aufschieben des Ritzels auf die Tragbuchse und Verschweißen mit der Tragbuchse, wobei das Aufschieben des Ritzels auf die Tragbuchse bei einem Spiel von max. 0,2 mm Übermaß des Innendurchmessers des Ritzels gegenüber dem Außendurchmesser der Tragbuchse erfolgt.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Zahnrad mit einem oder zwei in axialer Richtung beabstandeten, drehfest zueinander angeordneten Ritzeln.

II. Technischer Hintergrund

Derartige Zahnräder werden beispielsweise zur Über- oder Untersetzung in Riemen-, Zahnriemen- oder Kettenantrieben verwendet, so beispielsweise in dem Kettentrieb zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle eines Verbrennungsmotors, um die an Kurbelwelle bzw. Nockenwelle angeordneten Ritzel nicht zu stark in ihrem Durchmesser differieren zu lassen bzw. eines davon nicht zu groß werden zu lassen.

Da derartige Zahnräder, insbesondere Doppelzahnräder, vor allem in der beschriebenen, spezifischen Anwendung, stark belastet sind und vor allem dynamisch stark belastet sind mit etwa 130 Nm, wurden derartige Doppelzahnräder bisher einstückig hergestellt, also aus dem vollem gefräst, da alle Versuche, das Doppelzahnrad aus Einzelteilen zusammenzusetzen, entweder der dynamischen Belastung bisher nicht standhielten oder nicht die geforderte Rundlauf- und Seitenschlag-Genauigkeit aufwiesen.

III. Darstellung der Erfindung

a) Technische Aufgabe

Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Zahnrad sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung aus Einzelteilen zu schaffen, welches bei ausreichender Belastbarkeit einfach und kostengünstig ist.

b) Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Indem für das Zahnrad ein einzelnes separates Ritzel hergestellt wird, das kostengünstig auch im Stanzverfahren produziert werden kann, und welches anschließend drehfest mit einer verbindenden Tragbuchse z. B. verschweißt wird, ist eine sehr viel kostengünstigere Lösung möglich. Auch das Herstellen eines Doppelzahnrades aus zwei separaten Ritzeln und einer Tragbuchse ist auf diese Art und Weise möglich, die im Folgenden in den Mittelpunkt gestellt wird.

Dabei gilt es jedoch die bisher konvergierenden Teilziele unter einen Hut zu bringen:
Bei derartigen Lösungen in der Vergangenheit war die Verbindung zwischen Tragbuchse und Ritzeln entweder ausreichend stabil, dann aber aufgrund der umfangreichen Schweißarbeiten so stark verzogen, dass Rundlauf und Seitenschlag des Doppelzahnrads nicht zufrieden stellend waren, oder zumindest nur mit aufwendiger mechanischer, spanender Nachbearbeitung zufrieden stellend erreicht werden konnte, oder zur Verringerung des Verzuges wurden die Schweißbereiche minimiert, was dann eine der dynamischen Belastung häufig nicht gewachsene Verbindung ergab.

Es hat sich nun gezeigt, dass beide Teilziele erreicht werden können, indem eine passende konstruktive Ausführung mit der richtigen Art der Schweißung kombiniert wird:
Zum Einen muss vermieden werden, dass beim Verschweißen von Ritzel und Tragbuchse sich die beiden Teile in einer bestimmten radialen Richtung während des Verschweißens nicht unerwünscht annähern, nämlich insbesondere an der Stelle des Umfanges, an der die Umfangsschweißnaht begonnen wird.

Dieser Effekt kann vermieden oder wenigstens in einen tolerierbaren Bereich gehalten werden, in dem das Spiel zwischen dem Innendurchmesser des Ritzels und dem Außendurchmesser der Buchse sehr gering, insbesondere unter 0,2 mm, insbesondere unter 0,01 mm gehalten wird. Noch besser ist ein Übermaß der Tragbuchse gegenüber dem Innendurchmesser des Ritzels, so dass dieses mit Presssitz auf die Tragbuchse aufgepresst werden muss, ohne in die für das Verschweißen benötigte axiale Relativlage zu einander zu bringen.

Stattdessen und/oder ergänzend dazu weist die Tragbuchse für jedes der beiden Ritzel, die vom entgegengesetzten Aufschieberichtungen her auf die Tragbuchse aufgeschoben werden, eine Stützschulter auf, so dass die Ritzel bis zum Anschlag an die Stützschulter aufgeschoben werden können.

Insbesondere wenn kein Presssitz zwischen Ritzel und Tragbuchse vor dem Verschweißen vorhanden ist, muss beim Verschweißen durch Einspannen in eine entsprechende Vorrichtung die radial feste Zuordnung der beiden Teile zueinander sichergestellt werden.

Stattdessen oder alternativ hierzu kann auch dass Verschweißen des Ritzels durch zwei einander diametral gegenüberliegende Schweißstellen gleichzeitig erfolgen, so das zwei jeweils halbkreisförmige Schweißnähte, die sich zum Schluss zu einer Ringnaht ergänzen, vollzogen wird.

Dadurch ist ein radiales Verziehen in Richtung des einen Schweißpunktes unterbunden.

Des Weiteren hat sich für diesen Fall die Überwindung eines technischen Vorurteils als positiv erwiesen:
Allgemein gelten Kehlnähte als belastbarer als eine i-Naht, weshalb im vorliegenden Fall bisher versucht wurde, die von der Rückseite – betrachtet in Aufschieberichtung der Ritzel – verschweißten Ritzel mittels einer Kehlnaht an der Tragbuchse zu fixieren.

In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass der Nachteil einer geringeren Belastbarkeit einer i-Naht kompensiert werden kann und mehr als aufgehoben wird durch einen geringeren, durch Schweißverzug bewirkten, Seitenschlag des Ritzels, wenn eine i-Naht gesetzt wird:
Zu diesem Zweck weist die Tragbuchse in Einschieberichtung vor der Stützschulter jeweils eine Vorschulter auf, und zwar in einem Abstand entsprechend der Dicke des zu fixierenden Ritzels. Dadurch liegen die Rückseite des Ritzels und die Ringfläche der Vorschulter in derselben Ebene und bilden eine gemeinsame Stirnfläche, so dass dazwischen eine Verschweißung als i-Naht gesetzt werden kann.

Dabei hat sich eine Schweißtiefe bis etwa zur Mitte des zu verschweißenden Ritzels als die vorteilhafteste Lösung erwiesen, obwohl selbstverständlich unter reinen Belastbarkeitsgesichtspunkten ein Durchschweißen möglichst über die gesamte Dicke des Kettenrades nahe liegend wäre. In Absolutmaßen hat sich bei einer Ritzeldicke zwischen 4 und 8 mm eine Tiefe der Schweißnaht von 1,6–3 mm als am günstigsten erwiesen. Obwohl die Tiefe der Schweißnaht nicht der gesamten Dicke des Ritzels entspricht, wird das Ritzel nur von seiner in Aufschieberichtung betrachteten Rückseite her verschweißt, nicht auch von der Anlageseite an der Stützschulter her, da sich gezeigt hat, dass hierdurch der Schweißverzug überproportional groß wird, der Zuwachs an Stabilität dagegen abnimmt.

Einen Einfluss auf Gleichmäßigkeit der Schweißung und damit Belastbarkeit einerseits sowie Verzug andererseits hat auch das Schweißverfahren:
Hier hat sich – insbesondere bei Verwendung eines Stahles mit einer Zugfestigkeit von mehr als 350 N/mm² als Material für die Ritzel und gegebenenfalls auch der Tragbuchse – das Laserverschweißen mittels eines Constant Wave Lasers am günstigsten erwiesen, insbesondere die Verwendung eines CO₂- oder YAG-Lasers.

Ebenfalls positiv hat es sich erwiesen, beide Ritzel zuerst, also vor dem Verschweißen des ersten Ritzels, auf die Tragbuchse in die Endposition aufzuschieben, und danach mit dem Verschweißen des ersten Ritzels zu beginnen. Im Idealfall werden beide Ritzel gleichzeitig an der Tragbuchse verschweißt.

Um die geforderten Rundlaufeigenschaften zu erfüllen, wird bei Verwendung einer Gleitlager-Buchse im Innendurchmesser der Tragbuchse diese Gleitlagerbuchse erst nach dem Verschweißen in die Tragbuchse eingesetzt, meist mittels Verpressen. Anschließend erfolgt eine Nachbearbeitung des Innendurchmessers des Gleitlagers durch Drehen oder Ausspindeln, um den Rundlauf zu verbessern.

Alternativ kann die Tragbuchse selbst an ihrem Innendurchmesser mit einer Gleitbeschichtung versehen werden, die ebenfalls erst nach dem Verschweißen aufgebracht wird, wobei dabei vorzugsweise keine spanende Bearbeitung des Innendurchmessers der Tragbuchse nach dem Verschweißen mit den Ritzeln mehr erfolgt.

Falls als Schweißnaht dennoch die Variante der Kehlnaht gewählt wird, sollte dies vorzugsweise nur in Kombination mit einem Aufschieben der Ritzel unter Presspassung auf die Tragbuchse erfolgen.

c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1: eine erste Bauform gemäß der Erfindung, und
2: eine zweite Bauform gemäß der Erfindung:
1a zeigt das Doppelzahnrad 1 in der Aufsicht von der Seite des kleineren Ritzels 1a her, während 1b den Längsschnitt zeigt.
Die Ritzel 1a, 1b, auf deren Außenumfang läuft das entsprechende Treibmittel, beispielsweise eine Kette oder ein Zahnriemen, sind scheibenförmig, und die mit ihrem Innendurchmesser auf dem Außendurchmesser der Tragbuchse 2 aufgeschoben und verschweißt.
Zu diesem Zweck sind auf dem Außenumfang der Tragbuchse 2 in die verschiedenen Axialrichtungen 10 weisende Schultern 3, 4 entsprechend dem Innendurchmesser der dort aufzunehmenden Ritzel ausgebildet, so dass die Ritzel 1a, 1b in gegeneinander gerichtete Aufschubrichtungen 11 von den beiden Stirnseiten her auf die Tragbuchse 2 bis zur Anlage an die entsprechende Schulter 3, 4 aufgeschoben werden können.
Nach Anliegen an der stirnseitigen Ringfläche der jeweiligen Schulter erstreckt sich die Tragbuchse 2 vorzugsweise bei beiden Ritzeln 1a, 1b durch das Ritzel hindurch und steht auf der in Einschieberichtung 11 betrachteten jeweiligen Rückseite 8, 8' des Ritzels über dieses vor, so dass dieser vorstehende Außenumfang der Tragbuchse 2 mit der Rückseite 8 bzw. 8' im Axialschnitt betrachtet eine 90°-Kehle bildet.
In dieser Hohlkehle, also von der jeweiligen Rückseite 8, 8' der Ritzel 1a, 1b her, werden nach dem Aufschieben beide Ritzel mittels einer umlaufenden Kehlnaht 13 verschweißt, wobei die Schweißnaht die Dicke des jeweiligen Ritzels 1a, 1b vorzugsweise nicht durchdringt. Von der Gegenseite, also der Schulter 3 bzw. 4 her, erfolgt keine Verschweißung.
Demgegenüber zeigt 2 eine Lösung, bei der das Verschweißen mittels i-Nähten 12 erfolgt, wobei in Sonderfällen auch das eine Ritzel, z. B. 1a, mittels Kehlnaht 13 und das andere, vor allem das größere, Ritzel 1b mittels i-Naht 12 verschweißt werden kann.
Zu diesem Zweck ist in Aufschubrichtung 11 jeder der beiden Stützschultern 3, 4 eine Vorschulter 5 mit kleinerem Durchmesser in einem solchen Abstand 6 angeordnet, der der Dicke 7 des Ritzels 1a, b an der Schweißstelle entspricht.
Dadurch liegt die Rückseite 8 des jeweiligen Ritzels 1a, b fluchtend in einer Planebene mit der jeweiligen Ringfläche der Vorschulter, so dass zwischen das Anbringen einer i-Naht 12 möglich wird.
Falls aus konstruktiven Gründen – wie beim Ritzel 1b dargestellt – die Rückseite 8 des Zahnkranzes mit der entsprechenden Stirnseite der Tragbuchse 2 fluchten soll, wird analog zur Vorschulter 5 im Außenumfang der Tragbuchse 2 auch die Rückseite 8 des Ritzels am Innendurchmesser ausgespart, um dies zu erreichen.
Zusätzlich ist in 2b mit gestrichelten Linien eine Gleitlager-Buchse 9 angedeutet, die nach dem Aufschweißen der Ritzel 1a, b in den Innendurchmesser der Tragbuchse eingeschoben und fixiert, meist durch Verpressen fixiert, werden kann.
Alternativ dazu kann der Innendurchmesser der Tragbuchse 2 selbst mit einer Gleitbeschichtung versehen werden.

1: Doppelzahnrad
1a, 1b: Ritzel
2: Tragbuchse
3: Schulter
4: Schulter
5: Vorschulter
6: Abstand
7: Dicke
8, 8': Rückseite
9: Gleitlager-Buchse
10: Axialrichtung
11: Aufschubrichtung
12: i-Naht
13: Kehlnaht
14, 14': Seiten

Claims

Zahnrad mit einer Tragbuchse (2) und einem drehfest damit gekoppelten Ritzel (1a), dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (1a) und die Tragbuchse (2) als separate Teile hergestellt und drehfest miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, sind.
Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (2) axial beabstandete Ritzel (1a,b) aufweist.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Doppelzahnrad (1) eine Tragbuchse (2) umfasst, auf der die beiden Ritzel (1a, 1b) drehfest angeordnet, insbesondere verschweißt, sind.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragbuchse (2) zwei in unterschiedliche Axialrichtungen (10) weisende Schultern (3, 4) zur axialen Anlage der Ritzel (1a, 1b) aufweist.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schulter (3, 4) in Aufschubrichtung (11) der Ritzel (1a, 1b) vorgelagert eine Vorschulter (5) mit kleinerem Durchmesser in einem Abstand (6) entsprechend der Dicke (7) des aufzuschiebenden Ritzels (1a, 1b) vorgelagert ist, sodass im aufgeschobenen Zustand die in Aufschieberichtung betrachtete Rückseite (8, 8) des Ritzels (1a, 1b) mit der radialen Ringfläche der Vorschulter (5) fluchtet und die Fuge dazwischen als i-Naht (12) verschweißt ist.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (7) der Ritzel (1a, 1b) 3–10 mm, insbesondere 4–6 mm, beträgt und die Schweißnaht zwischen Ritzel (1a, 1b) und Tragbuchse (2) 0,5–10 mm, insbesondere 1,0–5,0 mm tief in das Material eindringt.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Tragbuchse (2) und Ritzel (1a, 1b) aus schweißbarem Stahl, insbesondere den gleichen Stahl, insbesondere einem Stahl mit einer Zugfestigkeit von 350 N/mm² oder mehr, insbesondere einem Chrom-Molybdän-Stahl, insbesondere der Güteklasse 16 MnCr5, bestehen.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Ritzel (1a, 1b), insbesondere das gesamte Doppelzahnrad (1), vergütet oder einsatzgehärtet ist.
Doppelzahnrad (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenumfang der Tragbuchse (2) eine Gleitlager-Buchse (9) drehfest angeordnet, insbesondere eingepresst, ist.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ritzel (1a, 1b) auf der Tragbuchse (2) im nicht verschweißten Bereich mit Presssitz, insbesondere p6/H7, angeordnet sind.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragbuchse (2) auf ihrem Innendurchmesser eine Gleitbeschichtung aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Zahnrades mit folgenden Schritten: – Herstellen einer Tragbuchse (2), – Aufschieben des Ritzels (1a) auf die Tragbuchse (2) und – Verschweißen mit der Tragbuchse (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschieben des Ritzels (1a) auf die Tragbuchse (2) bei einem Spiel von max. 0,2 mm Übermaß des Innendurchmessers des Ritzels (1a, 1b) gegenüber dem Außendurchmessers der Tragbuchse (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschieben und Verschweißen für zwei Ritzel (1a, b) auf der gleichen Tragbuchse (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschieben der Kettenräder auf die Tragbuchse (2) bei Übermaß, also Presssitz, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übermaß des Durchmessers der Tragbuchse (2) zwischen 0,001 mm und 0,08 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übermaß bis zu einem Tausendstel des Durchmessers der Passung beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verschweißen der Ritzel (1a, 1b) im Innendurchmesser der Tragbuchse (2) eine Gleitlager-Buchse (9) drehfest angeordnet, insbesondere eingepresst, und deren Innendurchmesser anschließend spanend bearbeitet, insbesondere mittels Drehen oder Ausspindeln bearbeitet, wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ritzel (1a, 1b) von unterschiedlichen Seiten (14, 14') und bis zum Anschlag an jeweils eine Stützschulter (3, 4) aufgeschoben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ritzel (1a, 1b) auf der Tragbuchse (2) mittels Laser verschweißt werden, insbesondere mittels eines Constant Wave Lasers, z.B. eines Co2- oder eines YAG-Lasers.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen in Form einer i-Naht (12) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen in Form einer Kehlnaht (13) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (12, 13) etwa bis zur Mitte der Dicke (7) des verschweißten Ritzels (1a, 1b) reicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht 0,5–10 mm, insbesondere 1,6–3,0 mm Tiefe aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verschweißen der Ritzel (1a, 1b) der Innendurchmesser der Tragbuchse (2) eine gleitfähige Oberflächenbeschichtung erhält zum Ersatz einer Gleitlager-Buchse (9).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ritzel (1a, 1b) auf der Tragbuchse (2) aufgeschoben und positioniert werden, bevor das erste der beiden Ritzel (1a, 1b) an der Tragbuchse (2) verschweißt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ritzel (1a, 1b) gleichzeitig an der Tragbuchse (2) verschweißt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen eines Ritzels (1a, 1b) an der Tragbuchse (2) gleichzeitig an zwei diametral bezüglich der Mitte des Ritzels (1a, 1b) gegenüberliegenden Schweißstellen aus erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen der an der Stützschulter (3, 4) anliegenden Ritzel nur von der von der Stützschulter (3, 4) abgewandten Rückseite (8, 8') der Ritzel (1a, 1b) her erfolgt.