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QUERVERWEIS
AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr.
60/774575, die am 17. Februar 2006 eingereicht wurde und deren Offenbarungsgehalt
hierin durch Bezugnahme vollständig
miteingeschlossen ist.
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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Innenzahnkränze oder innen verzahnte Hohlräder für automatisch
schaltbare Fahrzeuggetriebe und im Besonderen ein Hohlrad, mit dem
eine Nabe einstückig
ausgebildet ist, und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Verwendung von Planetenradsätzen
in automatisch schaltbaren Fahrzeuggetrieben ist in der Fahrzeugtechnik
allgemein bekannt. Um eine gewünschte
Abtriebsdrehzahl von dem automatisch schaltbaren Fahrzeuggetriebe
zu erreichen, wird das Getriebe einen Eingang von einer Leistungsquelle, wie
einem Verbrennungsmotor, empfangen und die diesem verliehene Eingangsenergie
in ein Abtriebsdrehmoment umwandeln. Ein derartiges Getriebe wird
typischerweise einen oder mehrere Planetenradsätze anwenden, die zwischen
einem Drehmomentwandler und einer Ab triebswelle des Getriebes angeordnet
und mit dieser verbunden sein können. Jeder
Planetenradsatz umfasst ein Sonnenrad, ein Hohlrad und mehrere Planetenräder (oder
Ritzel), die wirksam auf einem Träger gelagert sind, um das Sonnenrad
und das Hohlrad kämmend
miteinander zu verbinden. Es werden verschiedene Drehmomentübertragungsmechanismen
in der Natur von Kupplungen und Bremsen in Kombination mit den Planetenradsätzen benutzt,
um die Relativdrehung von einer oder mehreren Komponenten davon
zu steuern und dadurch die gewünschten
Antriebsübersetzungsverhältnisse
herzustellen.
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Das
Hohlrad kann starr an einem Nabenelement befestigt sein, das einen
Teil des Trägers
eines anderen Planetenradsatzes bilden kann, oder kann mit einer
Welle für
eine Drehung als eine Einheit damit kerbverzahnt sein. Typische
Verfahren zum Anbringen des Hohlrades an dem Nabenelement können Schweißen, Kronierungen
(castellation) und Kerbzähne
umfassen. Um das Hohlrad an dem Nabenelement durch Schweißen anzubringen,
werden das Hohlrad und das Nabenelement getrennt gebildet und anschließend durch
eine Vielfalt von kommerziellen Schweißtechniken zusammengefügt. Diese
Schweißtechniken
können
MIG, TIG, Elektronenstrahlschweißen, Unterpulverschweißen, Laserschweißen usw.
umfassen. Um das Hohlrad an dem Nabenelement unter Verwendung von
Kronierungen anzubringen, werden das Hohlrad und das Nabenelement
jeweils mit einer Vielzahl von sich radial erstreckenden, kämmend in
Eingriff bringbaren Kronierungen gebildet. Diese Zähne stellen
radiale Lagefestlegungs- und Drehmomentübertragungsfähigkeiten
zwischen dem Hohlrad und dem Nabenelement bereit. Es ist ein Sprengring
vorgesehen, um die relative axiale Bewegung zwischen dem Hohlrad
und dem Nabenelement zu begrenzen. Um das Hohlrad an dem Nabenelement
unter Verwendung von Kerbzähnen
anzubringen, werden das Hohlrad und das Nabenelement jeweils mit
einer Vielzahl von sich radial erstreckenden, kämmend in Ein griff bringbaren Kerbzähnen gebildet.
Diese Zähne
stellen radiale Lagefestlegungs- und Drehmomentübertragungsfähigkeiten
zwischen dem Hohlrad und dem Nabenelement bereit. Ähnlich wie
bei der Kronierungsmontagetechnik ist ein Sprengring vorgesehen,
um die relative axiale Bewegung zwischen dem Hohlrad und dem Nabenelement
zu begrenzen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Planetenradsatz vorgesehen, der einen Hohlradabschnitt mit
einer Vielzahl von sich im Allgemeinen radial nach innen erstreckenden
Zähnen
in kämmendem
Eingriff mit zumindest einem Planetenrad und einen Nabenabschnitt
aufweist, der sich im Allgemeinen radial nach innen von dem Hohlrad
erstreckt. Der Hohlradabschnitt und der Nabenabschnitt sind einstückig gebildet.
Die Vielzahl von sich radial nach innen erstreckenden Zähnen kann schrägverzahnt
sein. Zusätzlich
kann der Nabenabschnitt kerbverzahnt sein und einen Teil von zumindest
einem Abschnitt einer Trägeranordnung
des Planetenradsatzes bilden. Der Hohlradabschnitt und der Nabenabschnitt
können
durch Drücken,
Pulvermetallverdichtung oder Kaltfließpressen gebildet sein.
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Zusätzlich ist
ein Verfahren zum einstückigen
Bilden eines Hohlrades und Nabenabschnittes vorgesehen. Das Verfahren
umfasst, dass ein Rohling eingespannt wird und das Hohlrad einstückig mit dem
Nabenabschnitt gebildet wird. Das Einspannen des Rohlings kann umfassen,
dass der Rohling an einem Dorn angebracht wird, der eine geformte
Außenkontur
aufweist, die einen Zahnabschnitt definiert, der derart gestaltet
ist, dass er zu den Zahnradzähnen
an dem Hohlrad passt. Anschließend
wird das Hohlrad einstückig
mit dem Nabenabschnitt gebildet, indem der Dorn als Einheit mit
dem Rohling gedreht wird und der Rohling mit einem Umformkopf gegen die
geformte Außenkontur
gedrückt
wird. Alternativ kann das Einspannen des Rohlings umfassen, dass der
Rohling in einem Hohlraum angeordnet wird, der durch eine Kaltfließpresse
definiert ist. Die Kaltfließpresse
umfasst ein Werkzeug mit einer geformten Außenkontur, die einen Zahnabschnitt
definiert, der derart gestaltet ist, dass er komplementäre Zahnradzähne an dem
Hohlrad bildet. Anschließend
wird das Hohlrad einstückig
mit dem Nabenabschnitt gebildet, indem das Werkzeug mit einer ausreichenden
Kraft gegen den Rohling gepresst wird, um den Rohling gegen die
geformte Außenkontur
zu drängen.
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Es
ist ein anderes Verfahren zum einstückigen Bilden des Hohlrads
und Nabenabschnittes vorgesehen. Das Verfahren umfasst, dass eine
vorbestimmte Menge an Pulvermetall in einer Presse, wie einer doppelt
wirkenden Presse, angeordnet wird, und die vorbestimmte Menge an
Pulvermetall in der Presse mit einem ausreichenden Druck verdichtet wird,
um das Hohlrad einstückig
mit dem Nabenabschnitt zu bilden. Die Presse kann ein erstes Werkzeug
und ein zweites Werkzeug umfassen. Das erste Werkzeug weist eine
geformte Außenkontur
auf, die einen Zahnabschnitt definiert, der derart gestaltet ist, dass
er während
des Verdichtens komplementäre Zahnradzähne an dem
Hohlrad bildet.
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Die
obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der besten Ausführungsarten
der Erfindung in Verbindung genommen mit den begleitenden Zeichnungen
leicht deutlich werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines automatisch schaltbaren
Fahrzeuggetriebes, das Planetenradsätze darstellt, die einstückig gebildete
Hohlräder
und Nabenabschnitte gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweisen;
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2 ist
eine Teilseitenansicht einer Drückspannvorrichtung,
die betreibbar ist, um das Hohlrad und den Nabenabschnitt von 1 einstückig zu
bilden;
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3 ist
eine Teilseitenansicht der in 2 gezeigten
Drückspannvorrichtung
mit dem einstückig gebildeten
Hohlrad und Nabenabschnitt;
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4 ist
eine Teilseitenansicht einer Presse, die betreibbar ist, um das
Hohlrad und den Nabenabschnitt von 1 durch
Pulvermetallverdichtung einstückig
zu bilden;
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5 ist
eine Teilseitenansicht der in 4 gezeigten
Presse mit dem einstückig
gebildeten Hohlrad und Nabenabschnitt;
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6 ist
eine Teilseitenansicht einer Presse, die betreibbar ist, um das
Hohlrad und den Nabenabschnitt von 1 durch
Kaltfließpressen
einstückig zu
bilden; und
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7 ist
eine Teilseitenansicht der in 6 gezeigten
Presse mit dem einstückig
gebildeten Hohlrad und Nabenabschnitt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
den Zeichnungen, in denen überall
in den mehreren Figuren gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen
Bauteilen entsprechen, ist in 1 ein Teil
eines automatisch schaltbaren Fahrzeuggetriebes gezeigt, der allgemein
mit 10 bezeichnet ist. Das Getriebe 10 umfasst
einen ersten Planetenradsatz 12, einen zweiten Planetenradsatz 14 und
einen dritten Planetenradsatz 16. Der erste Planetenradsatz 12 umfasst
ein Sonnenrad 18, ein Hohlrad 20 und eine Vielzahl
von Planetenrädern
oder Ritzeln 22, von denen eines in 1 gezeigt
ist. Die Planetenräder 22 sind
durch eine Trägeranordnung 24 drehbar
gelagert. Die Trägeranordnung 24 umfasst ein
Paar beabstandete Seitenwände 26 und 28 und eine
Vielzahl von Stiften 30, von denen einer in 1 gezeigt
ist, auf denen ein jeweiliges Planetenrad 22 drehbar gelagert
ist. Die erste bzw. zweite Seitenwand 26 bzw. 28 der
Trägeranordnung 24 sind
derart ausgestaltet, dass sie Stifte 30 aufnehmen, und
sind zur Rotation als eine Einheit aneinander befestigt. Die zweite
Seitenwand 28 weist eine Nabe 32 auf, die eine
kerbverzahnte zylindrische Innenfläche 34 besitzt, die
derart gestaltet ist, dass sie eine kerbverzahnte Hohlwelle 36 so
aufnimmt, dass die Trägeranordnung 24 und
die Hohlwelle 36 als eine Einheit rotieren. Das Hohlrad 20 weist
eine im Allgemeinen kreisringförmige
Gestalt auf und umfasst eine Vielzahl von sich radial nach innen
erstreckenden, schrägverzahnten
Zahnradzähnen 38,
die derart gestaltet sind, dass sie kämmend mit den Planetenrädern 22 in
Eingriff stehen. Ähnlich
umfasst das Sonnenrad 18 eine Vielzahl von sich radial
nach außen erstreckenden,
schrägverzahnten
Zahnradzähnen 40,
die derart gestaltet sind, dass sie kämmend mit den Planetenrädern 22 in
Eingriff stehen. Mit dem Hohlrad 20 ist ein Nabenabschnitt 42 einstückig gebildet.
Der Nabenabschnitt 42 erstreckt sich von dem Hohlrad 20 im
Allgemeinen radial nach innen.
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Der
zweite Planetenradsatz 14 umfasst ein Sonnenrad 44,
ein Hohlrad 46 und eine Vielzahl von Planetenrädern 48,
von denen eines in 1 gezeigt ist und die durch
eine Trägeranordnung 50 drehbar gelagert
sind. Die Trägeranordnung 50 umfasst
eine Seitenwand 52, die von dem Nabenabschnitt 42 beabstandet
ist, und eine Vielzahl von Stiften 54, von denen einer
in 1 gezeigt ist und auf denen ein jeweiliges Planetenrad 48 drehbar
lagert ist. Wie es in 1 gezeigt ist, bildet die Nabe 42 eine
zweite Seitenwand der Trägeranordnung 50.
Die Seitenwand 52 der Trägeranordnung 50 und
die Nabe 42 sind derart gestaltet, dass sie Stifte 54 aufnehmen,
und sind zur Drehung als eine Einheit aneinander befestigt. Das
Hohlrad 46 weist eine im Allgemeinen kreisringförmige Form
auf und umfasst eine Vielzahl von sich radial nach innen erstreckenden,
schrägverzahnten
Zahnradzähnen 56,
die derart gestaltet sind, dass sie kämmend mit den Planetenrädern 48 in
Eingriff stehen. Ähnlich
umfasst das Sonnenrad 44 eine Vielzahl von sich radial
nach außen
erstreckenden, schrägverzahnten
Zahnradzähnen 58,
die derart gestaltet sind, dass sie kämmend mit den Planetenrädern 48 in
Eingriff stehen. Das Sonnenrad 44 weist eine kerbverzahnte,
zylindrische Innenfläche 60 auf, die
derart gestaltet ist, dass sie eine kerbverzahnte Welle 62 aufnimmt,
so dass das Sonnenrad 44 und die Welle 62 als
eine Einheit rotieren. Mit dem Hohlrad 46 ist ein Nabenabschnitt 64 einstückig gebildet. Der
Nabenabschnitt 64 erstreckt sich von dem Hohlrad 46 im
Allgemeinen radial nach innen. Der Nabenabschnitt 64 weist
eine kerbverzahnte, zylindrische Innenfläche 66 auf, die derart
gestaltet ist, dass sie eine kerbverzahnte Hohlwelle 68 aufnimmt,
so dass der Nabenabschnitt 64 und die Hohlwelle 68 als
eine Einheit rotieren.
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Der
dritte Planetenradsatz 16 umfasst ein Sonnenrad 70,
ein Hohlrad 72 und eine Vielzahl von Planetenrädern 74,
von denen eines in 1 gezeigt ist und die durch
eine Trägeranordnung 76 drehbar gelagert
sind. Die Trägeranordnung 76 umfasst
eine Seitenwand 78, die von dem Nabenabschnitt 64 beabstandet
ist, und eine Vielzahl von Stiften 80, von denen einer
in 1 gezeigt ist, auf denen die Planetenräder 74 drehbar
gelagert sind. Wie es in 1 gezeigt ist, bildet der Nabenabschnitt 64 eine
zweite Seitenwand der Trägeranordnung 76.
Die Seitenwand 78 der Trägeran ordnung 76 und
die Nabe 64 sind derart gestaltet, dass sie Stifte 80 aufnehmen, und
sind für
eine Drehung als eine Einheit aneinander befestigt. Das Hohlrad 72 weist
im Allgemeinen eine kreisringförmige
Form auf und umfasst eine Vielzahl von sich radial nach innen erstreckenden, schrägverzahnten
Zahnradzähnen 82,
die derart gestaltet sind, dass sie kämmend mit den Planetenrädern 74 in
Eingriff stehen. Ähnlich
umfasst das Sonnenrad 70 eine Vielzahl von sich radial
nach außen erstreckenden,
schrägverzahnten
Zahnradzähnen 84,
die derart gestaltet sind, dass sie kämmend mit den Planetenrädern 74 in
Eingriff stehen.
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Die
Hohlwellen 68 und 36 sind koaxial ausgerichtet
und durch die Welle 62 drehbar gelagert. Zusätzlich sind
die Sonnenräder 18 und 70 koaxial ausgerichtet
und jeweils durch die Hohlwellen 36 bzw. 68 drehbar
gelagert. Die erste Seitenwand 26 ist mit dem Hohlrad 72 zur
Drehung als eine Einheit über eine
kronierte Verbindung 86 verbunden.
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Die
Hohlräder 20 und 46 mit
den jeweiligen einstückig
gebildeten Nabenabschnitten 42 und 64 werden vorzugsweise
fertiggeformt. Ein fertiggeformtes Teil beschreibt im Allgemeinen
ein Teil, das sehr wenig, wenn überhaupt,
Nachbearbeitungsfertigungsprozesse erfordert. Dadurch, dass ein
Fertigformungsverfahren verwendet wird, werden die Hohlräder 20 und 46 und
die jeweiligen einstückig
gebildeten Nabenabschnitte 42 und 64 derart gebildet, dass
sie fest, kostengünstig
und dauerhaft sind.
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Der
Klarheit wegen werden die bevorzugten Verfahren zum einstückigen Bilden
des Hohlrades 20 und Nabenabschnittes 42 besprochen.
Fachleute werden jedoch erkennen, dass die hierin beschriebenen
Herstellungstechniken leicht angewandt werden können, um das Hohlrad 46 sowie
den Nabenabschnitt 64 einstückig zu bilden. In den 2 und 3 ist
eine Fließumform-
oder Drückspannvorrichtung 88 gezeigt,
die betreibbar ist, um das Hohlrad 20 und den Nabenabschnitt 42 mit
einer nahezu fertiggestellten Gestalt zu bilden. Die Drückspannvorrichtung 88 umfasst
einen drehbaren Dorn 90 und zumindest eine axial bewegliche
Umformwalze oder Umformkopf 92. Der Dorn 90 weist
einen Reitstock und eine Klemme 94 auf, die dazu dient,
einen schalenförmigen
Rohling 96 auf dem Ende des Dorns 90 zu positionieren.
Der Dorn 90 weist eine geformte Außenkontur 97 auf,
die einen schrägverzahnten
Zahnabschnitt 98 definiert, der derart gestaltet ist, dass
er komplementäre
schrägverzahnte
Zahnradzähne 38 an
dem Hohlrad 20, das in 1 gezeigt
ist, bildet.
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Nun
nach 3 und mit weiterem Bezug auf 2 wird
die Umformwalze oder der Umformkopf 92 axial entlang der
Außenfläche des
schalenförmigen
Rohlings 96 verfahren, wenn der Dorn 90 rotiert, wodurch
ein Fluss des Metalls innerhalb des schalenförmigen Rohlings 96 erzwungen
wird, Mit dem Drückverfahren
wird sich das Metall in dem schalenförmigen Rohling 96 an
die Außenfläche des
Dorns 90 anschmiegen. Das heißt die Innenfläche schalenförmigen Rohlings 96 wird
die schrägverzahnten Zahnradzähne 38 bilden,
die komplementär
zu dem schrägverzahnten
Zahnabschnitt 98 des Dorns 90 sind. Das Hohlrad 20 und
der Nabenabschnitt 42 werden gleichzeitig gebildet, wenn
der Umformkopf 92 sich axial entlang des schalenförmigen Rohlings 96 bewegt.
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Die 4 und 5 veranschaulichen
ein Verfahren zum Bilden des Hohlrades 20 und des Nabenabschnittes 42 durch
ein Pulvermetallverdichtungsverfahren. Bei diesem Vorgang wird zu
Beginn eine vorbestimmte Menge an Pulvermetall 100 in einer
Presse 102, die ein erstes Werkzeug 104 und ein zweites
Werkzeug 106 aufweist, angeordnet. Das erste und das zweite
Werkzeug 104 und 106 sind vorzugsweise aus Wolframcarbid
oder einem anderen ähnlichen
verschleißbeständigen Material
hergestellt. Das erste Werkzeug 104 weist eine geformte Außenkontur 107 auf,
die einen schrägverzahnten Zahnabschnitt 108 definiert,
der derart gestaltet ist, dass er zu den schrägverzahnten Zahnradzähnen 38 passt,
die in 1 gezeigt sind. Ein doppelt wirkender Pressvorgang,
bei dem das erste und zweite Werkzeug 104 und 106 sich
jeweils axial aufeinander zu bewegen, verdichtet das Pulvermetall 100,
indem eine große
axiale Kraft aufgebracht wird. Nach der Verdichtung des Pulvermetalls 100 werden
das erste und zweite Werkzeug 104 und 106 getrennt,
wie es in 5 gezeigt ist, und das Hohlrad 20 und
der Nabenabschnitt 42, die einstückig gebildet sind, werden aus
der Presse 102 ausgeworfen. Wie es dargestellt ist, sind
die schrägverzahnten
Zahnradzähne 38 des Hohlrades 20 komplementär zu dem
schrägverzahnten
Zahnabschnitt 108 an dem ersten Werkzeug 104 gebildet.
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Die 6 und 7 veranschaulichen
ein Verfahren zum einstückigen
Bilden des Hohlrades 20 und Nabenabschnittes 42 durch
Kaltfließpressen.
Ein schalenförmiger
Rohling 110 wird in einem Hohlraum 111 angeordnet,
der durch Wände 113 einer
Kaltfließpresse 112 definiert
ist. Die Kaltfließpresse 112 umfasst
ein Werkzeug 114 mit einer geformten Außenkontur 115, die
einen schrägverzahnten
Zahnabschnitt 116 definiert, der derart gestaltet ist,
dass er zu den in 1 gezeigten schrägverzahnten
Zahnradzähnen 38 passt.
Das Werkzeug 114 ist vorzugsweise aus Wolframcarbid oder
einem anderen ähnlichen
verschleißbeständigen Material
hergestellt. Wenn das Werkzeug 114 axial in Eingriff mit
dem schalenförmigen
Rohling 110 bewegt wird, bewirken die hohen Drücke, dass
das Material des schalenförmigen
Rohlings 110 zwischen das Werkzeug 114 und die
Wände 113 fließt, wodurch
das Hohlrad 20 und der Nabenabschnitt 42, die
einstückig
gebildet werden, hergestellt werden. Die schrägverzahnten Zahnradzähne 38 des
Hohlrades 20 werden komplementär zu dem schrägverzahnten
Zahnabschnitt 116 des Werkzeugs 114 gebildet.
Indem das Kaltfließpressverfahren
verwendet wird, um das Hohlrad 20 und den Naben abschnitt 42 einstückig zu
bilden, werden die Kornstruktur und der Fluss der schrägverzahnten Zahnradzähne 38 verbessert.
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Indem
die Hohlräder 20 und 46 mit
einem jeweiligen Nabenabschnitt 42 und 64 einstückig gebildet
werden, kann der Aufbau des ersten und zweiten Planetenradsatzes 12 und 14 vereinfacht
werden. Zusätzlich
können
die Produktionskosten und das Gewicht des ersten und zweiten Planetenradsatzes 12 und 14 verringert
werden. Indem die Hohlräder 20 und 46 einstückig mit
einem jeweiligen Nabenabschnitt 42 und 64 gebildet
werden, werden auch die Festigkeit und die Ausrichtung verbessert.
Indem ein Fertigformungsverfahren angewandt wird, d.h. Drücken, Pulvermetallverdichtung
und Kaltfließpressen, um
die Hohlräder 20 und 46 mit
einem jeweiligen Nabenabschnitt 42 und 64 einstückig zu
bilden, werden die Festigkeit der Hohlräder 20 und 46 und
die Kornstruktur und der Fluss der schrägverzahnten Zahnradzähne 38 und 56 verbessert.
Zusätzlich
kann die Menge an Fertigbearbeitungsprozessen, die erforderlich
sind, um die Hohlräder 20 und 46 mit
einem jeweiligen Nabenabschnitt 42 und 64 fertig
zu stellen, verringert werden.
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Obgleich
die besten Arten zur Ausführung der
Erfindung ausführlich
beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese
Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und
Ausführungsformen
zur praktischen Ausführung
der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.