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Die
Erfindung betrifft ein Verzahnungsbauteil zur Übertragung von Antriebskräften, das
aus einem vorzugsweise aus Blechmaterial bestehenden Rohling hergestellt
und an dem eine Zahnung spanlos durch Umformen oder/und Schneiden
gebildet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.
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Herkömmlich werden
solche Teile nach Herstellung der Verzahnung einer abschließenden Wärmebehandlung
unterzogen, um durch Härten,
Vergüten,
Nitrieren oder dergleichen die notwendige Festigkeit und Widerstandsfähigkeit
des Bauteilmaterials zu erreichen. Nachteilig ist eine solche Wärmebehandlung
mit einem Verzug und damit Verlust der Maßhaltigkeit der Bauteile verbunden.
Darüber
hinaus kommt es bei der Herstellung durch Umformung gebildeter solcher
Bauteile aus festem oder hochfestem Material zu gewissen Rücksprüngen, was
in der Serienfertigung zu unerwünschten
Maßschwankungen
und Kosten führt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neuer Verzahnungsbauteile
der eingangs erwähnten Art
zu schaffen, die sich mit geringeren Fertigungstoleranzen herstellen
lassen.
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Das
diese Aufgabe lösende
Bauteil nach der Erfindung ist durch ein Presswerkzeug einer Warmumformung
und/oder in einem Presswerkzeug einer die Materialfestigkeit und/oder
Härte erhöhenden Wärmebehandlung,
ggf. unter Gefügeumwandlung, unterzogen
worden.
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Das
erfindungsgemäße Verzahnungsbauteil kann
also aus festem oder hochfestem Material unter Warmumformung durch
ein Presswerkzeug hergestellt sein, wobei es in dem selben oder
einem anderen Presswerkzeug ferner eine die Materialfestigkeit und/oder
Harte erhöhende
Wärmebehandlung
unterzogen worden ist. Alternativ ist das Verzahnungsbauteil aus
einem weniger festen Material hergestellt, wobei eine abschließende Materialverfestigung und/oder
Härtung
in einem Presswerkzeug erfolgt. In beiden Fällen werden durch das bei der
Warmumformung bzw. Wärmebehandlung
am Werkstück
anliegende Presswerkzeug Materialrücksprünge bei Öffnung des Presswerkzeugs vermieden.
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Vorzugsweise
ist das Bauteil der Wärmebehandlung
unter Abkühlung
durch das Presswerkzeug von einer vorgegebenen Ausgangstemperatur
auf eine vorgegebene Endtemperatur in einem vorgegebenen Zeitraum
unterzogen worden. Auf diese Weise können, insbesondere mit presshärtbarem
Material, in gewissem Umfang gewünschte
Materialfestigkeiten und/oder Härten
gezielt eingestellt werden.
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Das
Material des Rohlings, insbesondere Blechmaterial, lässt sich
vorzugsweise durch Pressdruck in Verbindung mit der Wärmebehandlung
verfestigen und/oder härten.
Alternativ zur Verwendung von Material, das sich presshärten lässt, kann
das Ausgangsmaterial als das Material des unbehandelten Rohlings,
fest bis hochfest sein und Zugfestigkeiten zwischen 300 und 1100
N/mm2 aufweisen.
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Bei
der Presshärtung
wird das Bauteil während
der Wärmebehandlung
einem vorzugsweise statischen Pressdruck durch das Presswerkzeug
unterworfen.
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Das
Bauteil kann in verschiedenen Bereichen in unterschiedlicher Weise
wärmebehandelt und
ggf. pressgehärtet
worden sein, wobei sich in den verschiedenen Bereichen z. B. die
Temperaturzeitfunktionen der Abkühlung,
die Ausgangstemperaturen oder/und die Endtemperaturen unterscheiden. Bei
Presshärtung
kann das Bauteil in den verschiedenen Bereichen unterschiedlichen
Pressdrücken durch
das Presswerkzeug unterworfen worden sein.
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Vorzugsweise
wird das Bauteil in ein und demselben Presswerkzeug warm umgeformt
und dann der Wärmebehandlung
unterzogen.
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Für das Bauteil
kommt eine erweiterte Wärmebehandlung
in Betracht, in dem der Rohling zwecks Warmumformung in dem Presswerkzeug
von Umgebungstemperatur auf eine vorgegebene Endtemperatur in einem
vorgegebenen Zeitraum erwärmt
wird. In die Wärmebehandlung
wird also schon die Aufwärmung
des Rohlings einbezogen.
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Die
Zahnung kann durch Anformen des Blechmaterials unter weitgehender
Beibehaltung der Blechstärke
an den Blechrohling angeformt worden sein. Alternativ lässt sich
die Zahnung in einem „Freiformverdrängungsverfahren" unter Verminderung und
Erhöhung
der Materialstärke
durch Materialverdrängung
und -umlagerung in den Rohling einprägen.
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Das
Bauteil kann aus einem ebenen oder vorgeformten Blechrohling hergestellt
sein. In einer Ausführungsform
der Erfindung ist es, vorzugsweise durch Warmumformung, aus einem
rohrförmigen Rohling
hergestellt.
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Entsprechend
kann die Zahnung in einer Randabwinklung oder/und einer Rohrwand
des Bauteils gebildet sein.
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Alternativ
ist die Zahnung in einem Ringbereich eines ebenen Abschnitts des
Bauteils durch Ausbuchtungen im Blechmaterial hergestellt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist ein Zahnrad oder Zahnring aus einem ebenen Blechstück durch
Ausschneiden der Zahnung gebildet, wobei das Blechstück in einem
Randbereich eine erhöhte
Blechstärke
aufweisen kann, so dass sich dort entsprechend starke Zähne bilden
lassen.
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Neben
Zahnrädern
und Zahnringen, ggf. mit einer Innen- oder/und Außenzahnung,
kommen als Bauteil ferner z. B. Zahnradsegmente, Zahnringsegmente
oder Zahnstangen in Betracht.
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Das
Bauteil kann eine, vorzugsweise unter Bildung einer Randabwinklung
als Durchzug ausgebildete Aufnahmeöffnung für eine antreibende oder angetriebene
Achse aufweisen, wobei der Durchzug vorzugsweise in einem Arbeitsgang
mit der Zahnung hergestellt ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann das vorzugsweise aus einem Blechrohling hergestellte
Bauteil durch das Presswerkzeug mit einem weiteren Bauteil verbunden
und/oder in dem Presswerkzeug zusammen mit dem weiteren Bauteil der Wärmebehandlung
unterzogen worden sein. Die Verbindung mit dem weiteren Bauteil
kann z. B. durch Aufschrumpfen oder Verprägen erfolgen.
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Umformbearbeitungen
und Schneidbearbeitungen des Rohlings können in einem Arbeitsgang innerhalb
desselben Presswerkzeugs durchgeführt worden sein.
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Ebene
oder vorgeformte Blechrohlinge können
aus Tailored Blancs-Material, d. h. aus Blechmaterial, das hinsichtlich
Stärke
und Materialzusammensetzung unterschiedliche Bestandteile aufweist, bestehen.
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Alle
Umformungen sowie das Presshärten können in
einem Arbeitsgang unmittelbar aufeinanderfolgend ausgeführt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden,
sich auf diese Ausführungsbeispiele
beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Zahnrad nach der Erfindung mit einer durch Anformung hergestellten
Außenzahnung und
einer zentralen, in einem Arbeitsgang mit der Außenzahnung hergestellten Aufnahme
für eine
Antriebsachse,
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2 ein
weiteres Zahnrad nach der Erfindung mit einer durch Prägung hergestellten
Außenzahnung,
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3 eine
die Herstellung des Zahnrads von 2 durch
Prägung
erläuternde
Darstellung,
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4 ein
Zahnrad nach der Erfindung mit einer durch Schnitte hergestellten
Zahnung,
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5 ein
aus einem rohrförmigen
Blechrohling hergestelltes Zahnrad nach der Erfindung,
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6 ein
aus einem becherförmigen
Rohling hergestelltes Zahnrad nach der Erfindung mit einer geprägten Außenzahnung,
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7 eine
Zahnstange nach der Erfindung mit einer angeformten Zahnung,
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8 eine
weitere Zahnstange nach der Erfindung mit einer durch Prägung gebildeten
Zahnung,
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9 ein
weiteres Zahnrad nach der Erfindung mit zwei axial zueinander versetzten
Zahnradteilen, die jeweils eine durch Anformung hergestellte Außenzahnung
aufweisen,
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10 ein
Zahnrad nach der Erfindung mit einer Außenzahnung, das mit einem eine
Innenzahnung aufweisenden Ringteil verbunden ist,
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11 ein
aus einem rohrförmigen
Rohling hergestelltes Verzahnungsbauteil mit einer Außenzahnung,
wobei ein Teil des Rohres zu einem Vierkant geformt ist,
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12 ein
aus einem rohrförmigen
Rohling hergestelltes Zahnrad mit einer Außenzahnung für den Antrieb
eines Kettenrads sowie mit einer Innenzahnung,
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13 ein
weiteres Zahnrad zum Antrieb durch Kugelelemente oder eine Kette,
wobei die Zahnung durch Prägung
in einer Mulde gebildet ist,
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14 ein
aus einem rohrförmigen
Rohling mit einem ungeformten Flansch gebildetes Zahnrad, wobei
eine Zahnung in der Rohrwand und eine Zahnung in dem Flansch eingeprägt ist,
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15 eine
Zahnstange nach der Erfindung mit Zahnungen auf einander gegenüberliegenden Seiten,
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16 eine
Zahnstange nach der Erfindung mit durch Blechbiegung an einem offenen
oder geschlossenen Kastenprofil geformten Zähnen,
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17 eine
Zahnstange nach der Erfindung mit durch Prägung an einem offenen oder
geschlossenen Kastenprofil gebildeten Zähnen,
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18 eine
weitere Zahnstange nach der Erfindung mit einer Zahnung, die an
einem mit einem Flansch ausgebildeten Kastenprofil ungeformt ist,
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19 eine
Zahnstange nach der Erfindung mit an einem U-Profil gebildeten Zähnen,
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20 ein
Zahnradsegment nach der Erfindung,
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21 ein
Zahnringsegment nach der Erfindung,
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22 ein
Zahnrad nach der Erfindung mit einer gewölbten Außenzahnung,
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23 ein
Zahnrad nach der Erfindung mit Zähnen,
die durch Ausbuchtungen in einem Ringbereich an einem ebenen Blechstück gebildet
sind,
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24 ein
Zahnrad nach der Erfindung mit über
den Umfang des Zahnrades ungleichmäßig verteilten Zähnen, und
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25 ein
Zahnrad nach der Erfindung mit durch Ausschneiden gebildeten Zähnen, wobei
ein in der Blechdicke verstärkter
Randbereich vorgesehen ist.
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Ein
in 1 gezeigtes Zahnrad, das aus einem rondenförmigen Blechrohling
hergestellt ist, weist eine Randabwinklung 1 auf, durch
die eine Außenzahnung
mit Zähnen 2 gebildet
ist. Koaxial zu der Randabwinklung 1 ist eine zentrale Öffnung 3 mit
einer Randabwinklung 4 vorgesehen. Die zentrale Öffnung 3 dient
der Aufnahme eines (nicht gezeigten) Achsbolzens, wobei eine Feder
des Achsbolzens in eine nutenartigen Auswuchtung 5 in der Öffnung 3 eingreift.
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Die
Randabwinklung 1 mit den Zähnen und die Randabwinklung 4 an
der Öffnung 3 sind
in einem Arbeitsgang durch Warmumformung in einem Presswerkzeug
hergestellt. In dem Presswerkzeug wurde das Werkstück anschließend unter
statischem Pressdruck gemäß einer
vorgegebenen Temperaturzeitfunktion von einer vorgegebenen Anfangstemperatur auf
eine vorgegebene Endtemperatur abgekühlt und dadurch pressgehärtet.
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Alternativ
hätte von
vorn herein ein entsprechend festes Ausgangsmaterial verwendet werden können.
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Der
Blechrohling wurde von Umgebungstemperatur in einem vorgegebenen
Zeitraum auf eine vorgegebene Endtemperatur erwärmt und dann der Formung im
Presswerkzeug zugeführt.
Eine weitere Herstellungsmöglichkeit
bestände
darin, dass Werkzeug in einem gesonderten Presswerkzeug kalt zu pressen
und dann, nach Erwärmung
des Werkstücks,
in einem gesonderten Presswerkzeug ggf. fertig zu formen und einer
Wärmebehandlung
und ggf. Presshärtung
zu unterziehen.
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Bei
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel für ein Zahnrad
sind Zähne 2 in
einer Randabwinklung 1 nicht wie bei dem Ausführungsbeispiel von 1 durch
Anformung des Blechmaterials unter weitgehender Beibehaltung der
Blechstärke
sondern durch Einprägen
gebildet, wobei das Blechmaterial durch ein in 3 gezeigtes
Prägewerkzeug 6 in
den Zahnzwischenräumen
verdrängt
und in die Zähne 2 verlagert
worden ist. Bei diesem hier als Freifromverdrängungsverfahren bezeichneten
Prägeverfahren
wird das Werkstück
durch einen (nicht gezeigten) Kern von innen her gestützt.
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Im Übrigen ist
das in 2 und 3 gezeigte Zahnrad in gleicher
Weise in einem Presswerkzeug hergestellt und wärmebehandelt werden wie das
Zahnrad von 1.
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Ein
in 4 gezeigtes Zahnrad weist in einer Randabwinklung 1 Zähne 2 auf,
die nicht durch Umformung sondern durch Einschnitte in die Randabwinklung
gebildet sind. Die Einschnitte sind einschl. einer eine Ausbuchtung 5 aufweisenden
zentralen Öffnung 3 in
einem Presswerkzeug in einem der Umformung eines rondenförmigen Roh lings
unmittelbar folgenden Arbeitsgang durch Schneid- und Lochungsvorgänge hergestellt.
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Bei
den nachfolgenden Ausführungsbeispielen
wird auf die in einem Presswerkzeug erfolgende Herstellung nicht
gesondert eingegangen.
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5 zeigt
ein Zahnrad mit Zähnen 2 und
einer zentralen Aufnahmeöffnung 3,
das nicht aus einer Ronde sondern aus einem rohrförmigen Rohling gebildet
ist. Entsprechend sind, wie aus 5a hervorgeht,
Zähne 2 nicht
in einer Randabwinklung sondern in der Rohrwand 7 des Blechrohlings
durch Anformung des Blechmaterials hergestellt.
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Zur
Herstellung eines in 6 gezeigten Zahnrads wurde ein
rohrförmig
bzw. topfförmig
vorgeformter Blechrohling eingesetzt, in dessen Wand 7 Zähne 2 durch
Prägung
im Freiformverdrängungsverfahren
gemäß 3 eingeformt
sind.
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7 zeigt
eine Zahnstange, die aus einem rohrförmigen Rohling hergestellt
ist, wobei in die Rohrwand 7 durch Anformung Zähne 2 eingeformt sind,
deren Kämme
in tangentialer Richtung zur Rohrwand verlaufen.
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In
einer in 8 gezeigten Zahnstange sind Zähne 2 in
der anhand von 3 erläuterten Weise in die Rohrwand 7 eingeprägt.
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9 zeigt
ein Doppelzahnrad mit zueinander axial versetzten Zahnradteilen 8 und 9,
die unterschiedliche Durchmesser aufweisen. In Randabwinklungen 1 und 1' der Zahnradteile 8 und 9 sind
durch Materialanformung Zähne 2 bzw. 2' eingeformt.
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Ein
in 10 gezeigtes Zahnrad mit durch Blechmaterialanformung
gebildeten Zähnen 2 ist
auf ein massives ringförmiges
Innenteil 10 aufgeprägt oder
aufgeschrumpft, das eine Innenzahnung 11 aufweist. Die
Aufschrumpfung erfolgte während
der Anformung der Verzahnung im Presswerkzeug. Das ringförmige Innenteil 10 könnte auch
ohne Innenzahnung ausgebildet sein und z. B. nur eine nutenartige Ausbuchtung
für den
Eingriff einer Feder eines Achsbolzens aufweisen.
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11a zeigt einen rohrförmigen Rohling mit Abschnitten 12 und 13,
wobei in den Abschnitt 12 gemäß 11b durch
vier Pressstempel 14 ein Vierkant eingeprägt ist.
Wie 11b erkennen lässt, quillt
das überschüssige Material
an den Ecken beim Prägen
hervor. In den Abschnitt 13 ist durch ein Prägewerkzeug 6 eine
Außenzahnung
mit Zähnen 2 eingeprägt.
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Ein
in 12 gezeigtes, aus einem rohrförmigen Rohling hergestelltes
Zahnrad weist eine durch ein Prägewerkzeug 6 eingeprägte Außenzahnung
mit Zähnen 2 sowie
eine Innenverzahnung 15 auf. Die Außenzahnung eignet sich zum
Auflegen einer Kette. Die Innenzahnung mit Zähnen 15 des Zahnrades
ist ggf. durch zerspanende Bearbeitung hergestellt.
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Ein ähnliches
Zahnrad zeigt 13, wobei ein Zähne 2 herstellendes
Prägewerkzeug 6 in
einer Umfangsfläche
eines rohr- bzw. ringförmigen
Rohlings eine Rille 16 mit rundum kugelförmigen Prägungen bildet.
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14 zeigt
einen aus einem rohrförmigen Rohling
mit einem Flansch 17 gebildetes Zahnrad mit in die Rohrwand 7 eingeprägten Zähnen 2,
wobei in den Flansch 17 zusätzlich Zähne 18 eingeprägt sind.
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Eine
in 15 gezeigte Zahnstange in Form eines U-Profils
mit Randabwinklungen 19 und 20 weist eine Zahnung
mit Zähnen 2 am
U-Basissteg und Zahnungen mit Zähnen 2' bzw. 2'' an den Randabwinklungen 19 und 20 auf.
Die Zahnungen sind eingeprägt.
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16 zeigt
eine Zahnstange mit Zähnen 2, die
gemäß 16b durch ein offenes und gemäß 16c durch ein geschlossenes Kastenprofil
gebildet ist.
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Während bei
dem Ausführungsbeispiel
von 16 die Zähne
durch Anformung des des Blechmaterials hergestellt sind, handelt
es sich bei einem ähnlichen,
in 17 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Zahnstange
mit einem offenen bzw. geschlossenen Kastenprofils um eingeprägte Zähne 2.
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Eine
in 18 gezeigte Zahnstange mit angeformten Zähnen 2 besteht
aus einem Kastenprofil mit einer als Flansch ausgebildeten Profilseite 21.
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Eine
in 19 dargestellte Zahnstange weist ein U-Profil
auf, wobei Zähne 2 nicht
wie bei dem Ausführungsbeispiel
von 15 eingeprägt, sondern
im Wesentlichen unter Anformung des Blechmaterials in den Basisschenkel
des U-Profils eingeformt sind.
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20 betrifft
ein Zahnradsegment mit Zähnen 2 in
einer Randabwinklung 1 des Segments. In eine Öffnung 22 kann
ein das Segment drehender Vierkant eingreifen.
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21 betrifft
ein Segment eines Zahnrings mit Zähnen 2 an der Außenseite. Über Bohrungen 23 kann
das Segment mit einem drehbaren Teil verbunden werden.
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Ein
in 22 gezeigtes Zahnrad weist an einer Abwinklung 1 gebildete
Zähne 2 auf,
die konvex gewölbt
sind.
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Ein
in 23 gezeigtes Zahnrad weist nicht an einer Randabwinklung 1 sondern
in einem Ringbereich 24 eines ebenen Teils des Zahnrades
durch Ausbuchtungen gebildete Zähne 25 auf.
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Gemäß 24 sind
am Umfang eines Zahnrads Zähne 2 in
unregelmäßigen Abständen gebildet.
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Ein
in 25 gezeigtes Zahnrad weist keine Randabwinklung
auf. Zähne 2 einer
Außenzahnung sind
durch Einschnitte in einem verdickten Randbereich 26 des
sonst rondenförmigen
Zahnrads hergestellt.