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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnrad mit Schräg-
oder Bogenverzahnung, welches verbesserte Eigenschaften aufweist
sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines derartigen
Zahnrads.
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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 vorhandene 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 schräg an der Oberfläche des Bauteils
heraus. Die an der Oberfläche schräg austretenden
Fasern wirken sich negativ auf die Materialeigenschaften des Bauteils
aus. Die Folgen sind beispielsweise ein erhöhter Verschleiß und
Ermüdungserscheinungen.
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In
der
DE 10 2007
015 222 A1 der Anmelderin wird deshalb vorgeschlagen, das
Werkstück vor dem Einbringen der Verzahnung zu tordieren
und zwar derart, dass die Fasereinschlüsse in dem Material
im Wesentlichen der Verzahnung folgend ausgerichtet sind. Es hat
sich hierbei herausgestellt, dass durch eine derartige Ausrichtung
des Faserverlaufs, welche der Verzahnung des Werkstücks
folgt, verbesserte Materialeigenschaften im Hinblick auf eine höhere
Verschleiß- und Pittingfestigkeit erzielt werden können.
Ferner wird die Gefahr eines so genannten Zahnfußbruchs
reduziert.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere
Möglichkeit zu schaffen, die Materialeigenschaften der
oben beschriebenen Werkstücke zu optimieren.
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Die
Aufgabe wird durch ein Zahnrad, welches die Merkmale des Anspruchs
1 aufweist, sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch
5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
erfindungsgemäße Lösung beruht wiederum
auf der Idee, das zur Herstellung des Zahnrads vorgesehene Werkstück
vor dem Einbringen der Schrägverzahnung oder Bogenverzahnung
zu tordieren, wobei nunmehr allerdings vorgesehen ist, dass die
Torsionsrichtung in entgegengesetzter Richtung zur Verzahnung gewählt
wird. Dementsprechend wird im Vergleich zu der zuvor angesprochenen
DE 10 2007 015 222
A1 nunmehr vorgeschlagen, das Werkstück „invers” zu
tordieren.
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Es
hat sich in überraschender Weise gezeigt, dass auch bei
dieser inversen Torsion die Materialeigenschaften des Werkstücks
im Vergleich zu einem nicht-tordierten Werkstück signifikant
verbessert werden können. Auch in diesem Fall zeigt sich
eine verbesserte Verschleißfestigkeit des letztendlich
erzielten Zahnrads an den Zahnflanken und die Gefahr von Zahnfußschäden,
wie Zahnbruch, wird reduziert. Dieser Effekt ist an sich überraschend,
da nunmehr die Fasereinschlüsse in entgegengesetzter Richtung
der Schrägverzahnung ausgerichtet sind und dementsprechend
eher negative Eigenschaften zu befürchten wären.
Es wird allerdings vermutet, dass nunmehr die positive Materialeigenschaft
dadurch erzielt wird, dass der effektive Querschnitt der Fasern
senkrecht zur Richtung der Hauptbelastung minimiert wird. Auch dies
führt offensichtlich dazu, dass das Zahnrad im Vergleich
zu einem auf klassischer Weise hergestellten Zahnrad bessere Eigenschaften
aufweist.
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Das
Zahnrad selbst wird vorzugsweise aus einem stangenartigen Werkstück
gebildet, welches zumindest in seinem Stirnbereich entsprechend
tordiert wurde. Auch hier kann wiederum vorgesehen sein, dass die
Tordierung über die axiale Länge des Werkstücks
unterschiedlich stark ausgebildet ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des
Zahnrads ist dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück
einer Torsionsbehandlung unterzogen wird, derart, dass herstellungsbedingte
Fasereinschlüsse in dem Material im Wesentlichen entgegengesetzt
zur Verzahnung ausgerichtet sind. Dabei wird selbstverständlich
das Werkstück vor dem Einbringen der Verzahnung tordiert,
um die gewünschte entgegengesetzte Ausrichtung zu erhalten.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher
erläutert werden. Es zeigen:
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1a eine
schematische Ansicht eines Werkstücks mit Fasereinschlüssen;
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1b eine
schematische Ansicht eines teilweise tordierten Werkstücks
mit Fasereinschlüssen;
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1c eine
schematische Ansicht eines über seine gesamte Länge
tordierten Werkstücks mit Fasereinschlüssen;
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2a eine
schematische Ansicht eines Bauteils mit Schaft und schrägverzahntem
Stirnrad;
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2b 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, der zum Erstellen des späteren
Zahnrads verwendet werden soll. 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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Erfindungsgemäß wird
das Werkstück 2, 3 nunmehr derart tordiert,
dass der Faserverlauf 9 der im Material des Werkstücks 2, 3 eingeschlossenen Fasern 8 entgegengesetzt
zur späteren Ausrichtung der Verzahnung ausgerichtet ist.
Diese inverse Tordierung soll dabei insbesondere in dem Bereich
folgen, in den später die Schräg- bzw. Bogenverzahnung
eingebracht wird.
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Durch
diese inverse Ausrichtung des Faserverlaufs wird erzielt, dass nach
Einbringen der Verzahnung und späteren Nutzung des Werkstücks
der effektive Querschnitt der Fasern senkrecht zur Richtung der
Hauptbelastung minimiert wird. Auf diesem Wege werden wiederum verbesserte
Materialeigenschaften aufgrund höherer Verschleiß-
und Pittingfestigkeit sowie einer geringen Gefahr eines Zahnfußbruchs
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 entgegengesetzt
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 entgegengesetzt
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 entgegengesetzt 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
späteren Verzahnung 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 entgegengesetzt
zur Verzahnung 40 bzw. 50 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 entgegengesetzt zur
Verzahnung 40, 50 ausgerichtet sind, wird der
effektive Querschnitt der Fasern in Hauptbelastungsrichtung reduziert.
Die Verschleißfestigkeit und Pittingfestigkeit werden dadurch
erhöht und das Risiko eines Zahnfußbruches vermindert.
Letztendlich werden also auch auf diesem Wege die Materialeigenschaften
des Werkstücks deutlich verbessert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007015222
A1 [0008, 0011]