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Die
Erfindung betrifft ein Werkstück welches zur Herstellung
eines Zahnrades mit Schräg- oder Bogenverzahnung vorgesehen
ist und verbesserte Materialeigenschaften aufweist sowie ein entsprechendes
Zahnrad und ein Verfahren zur Herstellung dieses Zahnrades.
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Zahnräder
können prinzipiell auf drei Arten hergestellt werden; durch
Urformen, wie bspw. Gießen oder Sintern, durch Umformen,
wie bspw. Schmieden, Pressen, Ziehen, Walzen oder Stanzen oder durch
spanende Bearbeitung.
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Urformende
Verfahren werden häufig für weniger stark belastete
Zahnräder eingesetzt. Einer kostengünstigen Herstellung
steht allerdings eine nicht so große Formgenauigkeit entgegen.
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Bei
hochbelasteten Zahnrädern kommen meist spanende Verfahren
zum Einsatz. Mit diesen Verfahren lassen sich in der Regel höhere
Genauigkeiten erzielen als mit urformenden oder umformenden Verfahren.
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Häufig
werden Zahnräder aus einem metallischen, stangenförmigen
Rohling hergestellt. Durch Umformen, wie bspw. Fließpressen
oder Schmieden, wird der Rohling zunächst in die gewünschte
Form gebracht. Durch anschließende spanende Bearbeitung
des umgeformten Werkstücks wird schließlich eine
Verzahnung in das Werkstück eingebracht.
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Im
Metall herstellungsbedingt vorhandenen Einschlüsse, wie
bspw. Seigerungen, liegen im metallischen, stangenförmigen
Rohling, ebenfalls herstellungsbedingt, als kleine, nadelförmige,
sich in Axialrichtung erstreckende Fasern vor. Diese Fasern haben
eine Länge von z. B. bis zu ca. 100 Mikrometern und einen
Durchmesser von z. B. bis zu ca. 2 Mikrometern.
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Wird
ein Bauteil, wie bspw. Zahnrad mit Schaft, direkt durch spanende
Bearbeitungsverfahren aus dem Rohling gefertigt, so treten die sich
in Axialrichtung erstreckenden Fasern insbesondere an den Zahnflanken
des Zahnrades und an Absätzen des Zahnradkopfes und/oder
des Schafts an der Oberfläche des Bauteils heraus. Die
an der Oberfläche austretenden Fasern wirken sich negativ
auf die Materialeigenschaften des Bauteils aus. Die Folgen sind
beispielsweise ein erhöhter Verschleiß und Ermüdungserscheinungen.
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Aus
der Druckschrift
EP
1 674 172 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung des Druckwiderstandes in
einem metallischen Bauteil, genauer einer Einspritzdüse
eines Verbrennungsmotors, bekannt. Das Ziel der europäischen
Erfindung ist es, den Faserverlauf der Einschlüsse mittels
plastischer Verformung durch Fließpressen entlang der Bauteil-Außengeometrie
auszurichten; und somit auch entlang des in einem weiteren Schritt
im Bauteil ausgebildeten Einspritzkanals.
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Es
hat sich herausgestellt, dass das oben genannte Verfahren insbesondere
bei der Fertigung von schrägverzahnten oder bogenverzahnten
Zahnrädern keine Verbesserung der Materialeigenschaften
hervorruft. Die Schrägverzahnung bzw. Bogenverzahnung,
auch Spiralverzahnung genannt, verläuft nicht entlang der
Axialrichtung des Bauteils, sondern unter einem gewissen Winkel
(Schrägungswinkel, Spiralwinkel) schräg dazu.
Infolgedessen treten besonders bei schräg- bzw. bogenverzahnten Zahnrädern
die Fasern an der Verzahnung heraus. Dies hat bspw. einen erhöhten
Verschleiß an den Zahnflanken, eine geringere Pittingfestigkeit
sowie eine erhöhte Gefahr von Zahnfußschäden
wie Zahnbruch zur Folge.
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Dementsprechend
ist es Aufgabe der Erfindung auf einfache Weise ein Werkstück
zur Herstellung eines Zahnrades mit Schräg- oder Bogenverzahnung
derart zu bearbeiten, dass eine Verbesserung der Materialeigenschaften
am fertigen Bauteil erreicht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden
den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ist ein Werkstück zur Herstellung
eines Zahnrades mit Schräg- oder Bogenverzahnung vorgesehen. Das
Werkstück ist durch einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen
Körper aus Metall oder einer Metalllegierung gebildet.
Das Werkstück ist ferner zumindest über einen
Teil seiner axialen Länge hinweg tordiert.
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Durch
die Torsion des Werkstücks, bspw. des Rohlings zur Zahnradherstellung,
wird der Verlauf der sich in Axialrichtung des Werkstücks
erstreckenden Fasern derart geändert, dass der Faserverlauf
nach der Bearbeitung günstig zur späteren Außengeometrie
des herzustellenden Bauteils liegt. Die Außengeometrie
ist bspw. durch eine Zahnradverzahnung gebildet. Vorteilhafterweise
liegen dann bei einer abschließenden spanenden Bearbeitung
des Bauteils, bspw. durch Formschneid- oder Wälzverfahren,
die Fasern über die gesamte Zahnbreite im Wesentlichen
parallel zu den sich auf der Oberfläche schräg
bzw. helikal erstreckenden Zähnen. Durch die Neuausrichtung
des Faserverlaufs treten nach der spanenden Bearbeitung die Fasern
somit nicht mehr oder nicht wesentlich aus den spanend bearbeiteten Flächen
heraus. Auf diese Weise werden verbesserte Materialeigenschaften
bspw. aufgrund höherer Verschleiß- und Pittingfestigkeit
sowie einer geringeren Gefahr eines Zahnfußbruches erzielt.
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Vorteilhafterweise
ist das Werkstück stangenartig ausgebildet.
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Ein
stangenartig ausgebildetes Werkstück ist einfach und über
seine Länge gleichmäßig tordierbar. Außerdem
liegen Rohlinge zur Zahnradherstellung mittels Umformtechniken,
wie bspw. Fließpressen, üblicherweise als Stange
vor, wodurch diese Werkstücke mit denselben Maschinen und
auf dieselbe Weise zu Zahnrädern weiterverarbeitet werden
können. Der Einsatz zusätzlicher oder neuer Maschinen zur
Zahnradherstellung entfällt.
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Vorteilhafterweise
ist die Stange in einem Stirnbereich tordiert.
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Dies
ist bspw. bei der Herstellung eines Zahnrades mit einteilig ausgeformten
Schaft vorteilhaft. Bei einem Zahnrad mit Schaft werden demnach nur
die Bereiche tordiert, in denen die Verzahnung entstehen soll. Sowohl
der Schaft als auch das mit dem Schaft einteilig ausgebildete Zahnrad
weisen somit optimale Materialeigenschaften durch einen gezielt
ausgerichteten Faserverlauf auf.
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Vorteilhafterweise
weist das Werkstück in Axialrichtung weisende Fasereinschlüsse
auf. Diese Fasereinschlüsse sind im Bereich der Tordierung
helikal ausgerichtet.
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Auf
diese Weise ist es möglich, den Faserverlauf des Materials
optimal an den Oberflächenverlauf, also beispielsweise
der Zähne eines schräg- oder bogenverzahnten Zahnrades,
anzupassen.
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Vorteilhafterweise
ist das Werkstück wenigstens über einen Teil seiner
axialen Länge hinweg unterschiedlich stark tordiert ist.
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Auf
diese Weise ist es möglich, den Faserverlauf des Materials,
insbesondere bei Bogenverzahnungen mit über die Zahnbreite
verändertem Spiralwinkel, optimal an den Spiralwinkel anzupassen.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Zahnrad, welches aus Metall
oder einer Metalllegierung mit herstellungsbedingten Fasereinschlüssen besteht.
Das Zahnrad weist eine Schräg- oder Bogenverzahnung auf.
Das Material des Zahnrades ist im Bereich der Schräg- oder
Bogenverzahnung derart tordiert, dass die Fasereinschlüsse
im Wesentlichen der Verzahnung folgend ausgerichtet sind.
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Ein
Zahnrad gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung
weist einen Faserverlauf auf, der im Wesentlichen dem Oberflächenverlauf
der Schräg- bzw. Bogenverzahnung folgend ausgerichtet ist.
Fasern treten daher nicht mehr oder nur in einem unerheblichen Umfang
aus den spanend bearbeiteten Flächen heraus. Das Zahnrad
weist demgemäß verbesserte Materialeigenschaften
aufgrund höherer Verschleiß- und Pittingfestigkeit
sowie einer geringeren Gefahr eines Zahnfußbruches auf.
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Ein
dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
eines erfindungsgemäßen Zahnrades. Dabei wird
in ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Werkstück
bestehend aus Metall oder einer Metalllegierung eine Verzahnung
eingebracht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das
Werkstück ferner einer Torsionsbehandlung unterzogen wird,
derart, dass herstellungsbedingte Fasereinschlüsse in dem
Material im Wesentlichen der Verzahnung folgend ausgerichtet sind.
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Durch
den zusätzlichen Schritt der Werkstückstorsion
wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines Zahnrades die Ausrichtung der Fasern derart
geändert, dass sich der Faserverlauf eigenschaftsverbessernd
auf das Material auswirkt. Dies ist bei Zahnrädern dann
der Fall, wenn die Fasern im Wesentlichen der Schräg- bzw. Bogenverzahnung
folgend ausgerichtet sind.
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Vorteilhafterweise
wird das Werkstück vor dem Einbringen der Verzahnung der
Torsionsbehandlung unterzogen.
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Das
Werkstück liegt vor dem Einbringen der Verzahnung in Stangenform
vor. Es ist somit einfach zu handhaben und flexibel tordierbar.
Auf diese Weise lässt sich der Faserverlauf auf einfache
Weise beliebig im Material ausrichten.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nunmehr
anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren der begleitenden
Zeichnungen erläutert werden.
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1a zeigt
eine schematische Ansicht eines Werkstücks mit Fasereinschlüssen.
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1b zeigt
eine schematische Ansicht eines teilweise tordierten Werkstücks
mit Fasereinschlüssen.
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1c zeigt
eine schematische Ansicht eines über seine gesamte Länge
tordierten Werkstücks mit Fasereinschlüssen.
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2a zeigt
eine schematische Ansicht eines Bauteils mit Schaft und schrägverzahntem
Stirnrad.
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2b zeigt
eine schematische Ansicht eines Bauteils mit Schaft und bogenverzahntem
Kegelschraubrad.
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1a zeigt
einen rotationssymmetrischen Körper 1, im folgenden
auch Werkstück genannt. Das Werkstück 1 ist
vorzugsweise aus Metall oder einer Metalllegierung gebildet. Dieses
Werkstück 1 hat vorzugsweise über seine
gesamte Länge L denselben Querschnitt. Das Werkstück 1 ist
somit vorzugsweise stangenförmig ausgebildet.
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Diese
Form hat den Vorteil, dass stangenförmige Werkstücke üblicherweise
als Rohmaterial bei der Zahnradherstellung mittels Umformung eingesetzt
werden. Zudem ist ein stangenförmig ausgebildetes Werkstück
einfach handhabbar und tordierbar. Ein Einsatz von zusätzlichen
Maschinen und aufwendigen Herstellungs- bzw. Torsionsverfahren entfällt somit.
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Das
Material des Werkstücks 1 weist herstellungsbedingt
nichtmetallische Einschlüsse 8 auf. Diese Einschlüsse 8,
im folgenden auch Fasern oder Fasereinschlüsse genannt,
erstrecken sich faserartig bzw. nadelförmig in Axialrichtung
des Werkstücks 1. Die Fasereinschlüsse 8 können
beispielsweise in etwa eine Länge von bis zu ca. 100 Mikrometern
und einen Durchmesser von bis zu ca. 2 Mikrometern aufweisen.
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1b und 1c zeigen
jeweils ein Werkstück 2, 3, wie das Werkstück 1,
welche über eine Länge LT linksdrehend T tordiert
sind. Die Länge LT kann sowohl kleiner als auch gleich
der Gesamtlänge L des Körpers 2, 3 sein.
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In
dem tordierten Bereich des Werkstücks 2, 3 sind
die Fasereinschlüsse 8 entsprechend der Torsionsrichtung
T ausgerichtet. Die Linie 9 bezeichnet die Ausrichtung
des Faserverlaufs. Die Fasereinschlüsse sind dabei vorzugsweise
helikal ausgerichtet. Auch jede andere durch Torsion des Materials
zu erzeugende Ausrichtung ist denkbar.
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Vorzugsweise
wird das Werkstück 2, 3 also derart tordiert,
dass der Faserverlauf 9 der im Material des Werkstücks 2, 3 eingeschlossenen
Fasern 8 günstig zur späteren Außengeometrie
des herzustellenden Bauteils liegt; der Faserverlauf 9 also
optimal an dem Oberflächenverlauf des Bauteils ausgerichtet ist.
Die Außengeometrie wird vorzugsweise durch die Verzahnung
eines Zahnrades gebildet. Der Oberflächenverlauf wird demnach beispielsweise
durch die Zähne eines schräg- oder bogenverzahnten
Zahnrades gebildet. Günstig ausgerichtet heißt
in diesem Fall, dass die Fasern 8 über die gesamte
Zahnbreite im Wesentlichen parallel zu den sich auf der Oberfläche
des Werkstücks 2, 3 schräg bzw.
helikal erstreckenden Zähnen bzw. deren Zahnflanken liegen.
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Durch
die Neuausrichtung des Faserverlaufs 9 treten nach einer
spanenden Bearbeitung zur Herstellung einer Verzahnung die Fasern 8 somit
nicht mehr oder nicht wesentlich aus den spanend bearbeiteten Flächen
heraus. Auf diese Weise werden verbesserte Materialeigenschaften
aufgrund höherer Verschleiß- und Pittingfestigkeit
sowie einer geringeren Gefahr eines Zahnfußbruches erzielt.
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Vorzugsweise
erstreckt sich die Länge LT über die Bereiche
des Werkstücks 2, 3, in denen eine Schräg-
oder Bogenverzahnung eingebracht werden soll bzw. in denen aufgrund
der Torsion weitere vorteilhafte Materialeigenschaften aufgrund
von gezielt ausgerichteten Faserverläufen 9 erwünscht
sind.
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Weist
das fertige Bauteil beispielsweise neben einem Zahnrad noch einen
Schaft auf, erstreckt sich die Länge LT vorzugsweise nur
in einem Stirnbereich des stangenförmigen Werkstücks 2.
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Es
werden somit nur die Bereiche tordiert, in denen die Verzahnung
entstehen soll. Im Falle des Zahnrades mit Schaft weisen daher sowohl
der Schaft als auch das mit dem Schaft einteilig ausgebildete Zahnrad
optimale Materialeigenschaften durch einen gezielt ausgerichteten
Faserverlauf 9 auf.
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Es
ist auch denkbar, das Werkstück 2, 3 wenigstens über
einen Teil LT seiner Länge L unterschiedlich stark zu tordieren.
Somit kann der Faserverlauf 9 des Materials optimal an
den Oberflächenverlauf, also beispielsweise den Verlauf
von Zähnen eines Zahnrades, angepasst werden. Insbesondere bei
Bogenverzahnungen mit über die Zahnbreite verändertem
Spiralwinkel ist es auf diese Weise möglich, den Faserverlauf 9 des
Materials optimal an den Spiralwinkel anzupassen. Negative Einflüsse
durch austretende Fasereinschlüsse 8 werden somit
minimiert und damit auch die Wahrscheinlichkeit von erhöhtem
Verschleiß, Pittingbildung und Zahnfußbruch.
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2a und 2b zeigen
erfindungsgemäße Bauteile 4, 5.
Das Bauteil 4, im folgenden auch Stirnrad genannt, ist
einteilig ausgebildet aus einem Zahnradkopf 6s mit Schrägverzahnung 40 sowie
einem Schaft 7s. Das Bauteil 5, im folgenden auch
Kegelschraubrad genannt, ist einteilig ausgebildet aus einem Zahnradkopf 6b mit
Schrägverzahnung 50 sowie einem Schaft 7b.
Es ist auch denkbar, dass ein Bauteil lediglich aus einem Zahnrad
gebildet ist. Ebenfalls denkbar ist, dass ein Bauteil mehrteilig
ausgebildet ist und die Teile in einem weiteren Schritt zusammengefügt
werden.
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Die
punktgestrichene Linie 9s in 2a zeigt die
Ausrichtung des Faserverlaufs der Fasern 8 im Zahnradkopf 6s an.
Es ist zu erkennen, dass wenigstens der Bereich, in dem das Zahnrad 6s ausgebildet ist,
derart tordiert ist, dass die Fasern 8 parallel zu den
Zähnen der Schrägverzahnung 40 verlaufen.
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Die
punktgestrichene Linie 9b in 2b hingegen
zeigt die Ausrichtung des Faserverlaufs der Fasern 8 im Zahnradkopf 6b an.
Es ist auch hier zu erkennen, dass wenigstens der Bereich, in dem
der Zahnradkopf 6b ausgebildet ist, derart tordiert ist, dass
die Fasern 8 parallel zu den Zähnen der Bogenverzahnung 50 verlaufen.
Da, wie 2b deutlich zeigt, die Zähne
der Bogenverzahnung 50 über Ihre Zahnbreite einen
kontinuierlich veränderten Spiralwinkel aufweisen, ist
auch das Material des Zahnradekopfes 6b unterschiedlich
stark tordiert, so dass die Fasern 8 entsprechend des Spiralwinkels über die
gesamte Zahnbreite parallel zu den Zähnen ausgerichtet
sind.
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Im
folgenden soll das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Zahnrades, beispielsweise der Zahnräder bzw. Bauteile 4 oder 5, beschrieben
werden.
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Das
stangenförmige Werkstück 1 wird entsprechend
der herzustellenden Außengeometrie in einer dafür
vorgesehen Maschine tordiert. Das Werkstück 1 kann
dabei über seine gesamte Länge L oder nur einen
Teil LT seiner axialen Länge L tordiert werden. Ebenso
kann das Werkstück 1 über die Länge
L bzw. LT unterschiedlich stark tordiert werden, so dass auch die
Fasern 8 über die Länge L bzw. LT des Werkstücks 1 unterschiedlich
ausgerichtet sind. Je nach gewünschter Ausrichtung der
Fasern 8 kann das Werkstück 1 dabei rechtsdrehend
und/oder linksdrehend T tordiert werden.
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Die
eingesetzten Maschinen sind bekannt und werden heutzutage bspw.
zum Twisten von Kurbelwellen eingesetzt; also einem Verfahren zur
reinen Geometrieerzeugung und nicht zur Eigenschaftsverbesserung.
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Nach
der Torsionsbehandlung sind die herstellungsbedingten Fasereinschlüsse 8 in
dem Material des Werkstück 2, 3 also
derart ausgerichtet, dass sie nach der Bearbeitung der Verzahnung 40 bzw. 50 folgend
ausgerichtet sind.
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Nach
der Torsionsbehandlung sind weitere Bearbeitungsschritte zur Herstellung
eines erfindungsgemäßen Bauteils 4, 5 möglich.
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So
kann beispielsweise mittels Fließpressen der Durchmesser
des Schaftes 7b, 7s entsprechend ausgebildet werden.
Des Weiteren ist das Aufstauchen eines Zahnradkopfes, beispielsweise
für Hypoidverzahnungen 50, möglich.
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Bei
einer abschließenden spanenden Bearbeitung des Bauteils 4, 5 wird
die Verzahnung 40, 50 in das Bauteil 4, 5 eingebracht.
Dies geschieht bspw. mittels Formschneid- oder Wälzverfahren.
Da die Fasereinschlüsse 8 im Wesentlichen der
herzustellenden Verzahnung 40, 50 folgend ausgerichtet
sind, treten nach der spanenden Bearbeitung keine Fasern 8 oder
nur in geringem Umfang aus der Verzahnung 40, 50 heraus.
Die Verschleißfestigkeit und Pittingfestigkeit werden dadurch
erhöht und das Risiko eines Zahnfußbruches vermindert.
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Die
Erfindung ist nicht auf die genannten Einschränkungen beschränkt.
Zur Einsparung von Arbeitsschritten ist es alternativ zu den spanenden
Fertigungsverfahren bspw. möglich, die Verzahnung 40, 50 bei
der Umformung direkt in das Bauteil 4, 5 einzubringen.
Ferner ist es möglich, das Werkstück 1 auch
während des Umformvorganges bzw. der Verzahnungsherstellung
einer Torsionsbehandlung zu unterziehen.
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Die
Erfindung ist des Weiteren nicht auf Stirn- und Kegelschraubräder
beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung gar nicht auf Zahnräder
beschränkt. Alle Bauteile, bei denen eine Verbesserung
der Materialeigenschaften durch helikal oder anderweitig durch Torsion
ausgerichtete Fasereinschlüsse hervorgerufen werden, sind
durch die Erfindung abgedeckt.
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- 1
- Werkstück
bzw. rotationssymmetrischer Körper
- 2
- Werkstück,
im Stirnbereich tordiert
- 3
- Werkstück, über
gesamte Länge tordiert
- 4
- Stirnrad
- 5
- Kegelschraubrad
- 6b
- bogenverzahnter
Zahnradkopf
- 6s
- schrägverzahnter
Zahnradkopf
- 7b
- Schaft
von Bauteil mit bogenverzahntem Zahnrad
- 7s
- Schaft
von Bauteil mit schrägverzahntem Zahnrad
- 8
- Fasereinschlüsse
- 9
- Ausrichtung
der Fasereinschlüsse
- 9s
- Ausrichtung
der Fasereinschlüsse bei Schrägverzahnung
- 9b
- Ausrichtung
der Fasereinschlüsse bei Bogenverzahnung
- 40
- Schrägverzahnung
- 50
- Bogenverzahnung
- L
- Länge
des Werkstücks
- LT
- Länge
des tordierten Bereichs des Werkstücks
- T
- Torsionsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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