DE102012213406A1

DE102012213406A1 - Getrieberad, insbesondere Sonnenrad für ein Getriebe

Info

Publication number: DE102012213406A1
Application number: DE201210213406
Authority: DE
Inventors: Harald Martini; Thorsten BIERMANN
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2014-02-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Getrieberad (1, 1a), insbesondere ein Sonnenrad für ein Differenzialgetriebe (10). Das Getrieberad umfasst eine im Wesentlichen zylinderförmige einstückige Scheibe (2, 2a) mit einer Außenverzahnung (3, 3a) und mit einer zentralen Ausnehmung. In der Ausnehmung ist ein Innenprofil (4, 4a) zur drehfesten Verbindung mit einer Welle ausgebildet. Das Innenprofil (4, 4a) ist spanlos eingebracht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Getrieberad, insbesondere ein Sonnenrad für ein Differenzialgetriebe. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Getrieberads, sowie ein Differenzialgetriebe mit einem solchen Getrieberad.
Hintergrund der Erfindung
Ein in einem Kraftfahrzeug verwendetes Differenzialgetriebe zum Ausgleich von Drehzahlunterschieden ist schon lange bekannt. Ein herkömmliches Differenzialgetriebe, wie es insbesondere als Antriebsachsgetriebe eines Kraftfahrzeugs benutzt wird, ist zumeist als Kegelraddifferenzialgetriebe oder als Stirnraddifferenzialgetriebe ausgebildet.
Ein Stirnraddifferenzialgetriebe ist ein Getriebe nach Art eines Planetengetriebes, in dem miteinander im Zahneingriff stehende Ausgleichselemente Zahnräder mit Stirnverzahnung sind. Das Stirnraddifferenzialgetriebe ist üblicherweise mit einem ersten Sonnenrad und einem zweiten Sonnenrad versehen.
In der WO 2011/003747 A2 ist ein Stirnraddifferenzialgetriebe beschrieben, bei dem einem ersten Sonnenrad ein erster Satz Planetenräder und einem zweiten Sonnenrad ein zweiter Satz Planetenräder zugeordnet ist. Sowohl die Sonnenräder als auch die Planetenräder sind hierbei Stirnräder. Der erste Satz von Planetenrädern kämmt mit dem zweiten Satz der Planetenräder. Die Zähne der Planetenräder des ersten Satzes sind breiter als die Zähne der Planetenräder des zweiten Satzes und stehen zugleich mit der ersten Sonne und mit den Planetenrädern des zweiten Satzes im Eingriff und die Planetenräder des zweiten Satzes zugleich mit der zweiten Sonne.
Ferner weist ein Stirnraddifferenzialgetriebe regelmäßig ein Antriebsrad auf, das als Tellerrad oder als Stirnrad ausgeführt sein kann. Das Antriebsrad ist üblicherweise mit einem Planetenträger des Getriebes drehfest gekoppelt. Das Antriebsrad, das Gehäuse mit dem Planetenträger und die Sonnenräder des Stirnraddifferenzials weisen in der Regel eine gemeinsame Drehachse auf. Über das Antriebsrad werden Drehmomente in das Stirnraddifferenzialgetriebe zum Planetenträger hin eingeleitet. Üblicherweise sind die Abtriebswellen mit den Sonnenrädern drehfest gekoppelt und geben jeweils ein in das Stirnraddifferenzialgetriebe eingeleitetes Drehmoment beispielsweise an ein angetriebenes Fahrzeugrad weiter.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getrieberad, insbesondere ein Sonnenrad für ein Differenzialgetriebe, zu schaffen, das einfach und kostengünstig in der Fertigung ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung eines solchen Getrieberads bereitzustellen. Durch die Erfindung soll außerdem ein Differenzialgetriebe mit geringen Herstellungskosten zur Verfügung gestellt werden.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe bezüglich der Schaffung eines Getrieberads wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Demnach umfasst das erfindungsgemäße Getrieberad, welches insbesondere ein Sonnenrad für ein Differenzialgetriebe ist, eine im Wesentlichen zylinderförmige einstückige Scheibe mit einer Außenverzahnung und mit einer zentralen Ausnehmung. In der Ausnehmung ist ein Innenprofil zur drehfesten Verbindung mit einer Welle ausgebildet. Das Innenprofil ist spanlos eingebracht.
Der Erfindung geht in einem ersten Schritt davon aus, dass zur Herstellung eines Getrieberads üblicherweise ein Rohling geschmiedet wird. Anschließend werden die notwendigen Ausformungen in der Regel mittels spanender Bearbeitungsschritte erzeugt. Dabei wird gewöhnlich die Außenverzahnung gefräst und das Innenprofil durch Räumen erzeugt. Es wird also Material in Form von Spänen abgetragen. Diese spanende Bearbeitung ist insbesondere aufgrund des Materialabtrags und der benötigten Werkzeuge relativ aufwendig und kostenintensiv. Das Werkstück muss ferner anschließend gesäubert werden, um es von Spänen zu befreien. Darüber hinaus fallen für das abgetragene Material Entsorgungskosten an.
Die Erfindung geht in einem weiteren Schritt von der Überlegung aus, Bauteile in einer Serienfertigung auch dahingehend auszulegen, dass eine möglichst wirtschaftliche Fertigung realisierbar ist. Dies gilt umso mehr für ein automatisiertes Fertigungsverfahren, bei dem es oft einfacher und kostengünstiger ist, das Bauteil aus einem einzigen Werkstück zu fertigen. Darum sieht die Erfindung vor, das Getrieberad als Scheibe aus einem Werkstück einstückig herzustellen. Dadurch entfällt insbesondere der Verbindungvorgang getrennter Werkstücke zu einem Bauteil, welcher insbesondere dann relativ aufwendig ist, wenn die Werkstücke genau zentriert zueinander verbunden werden müssen. Ferner brauchen keine Verbindungsstellen, welche unter Einhaltung enger Toleranzvorgaben aufeinander abgestimmt sein müssen, an den Werkstücken vorgesehen werden.
Die Scheibe weist eine Rotationsachse auf und besteht vorzugsweise aus einem Blech. Sie ist mit der Außenverzahnung und der Ausnehmung mit Innenprofil einstückig ausgebildet. Mit anderen Worten ist die Scheibe mit ihren Ausformungen aus einem einzigen Werkstück gefertigt. Ferner ist die Scheibe mit ihren Ausformungen insgesamt spanlos hergestellt. Im Gegensatz zu spanenden Verfahren, wie beispielsweise Fräsen, Drehen, Hobeln oder Räumen, wird bei spanlosen Fertigungsverfahren kein Material von dem Werkstück abgetragen. Die gewünschten Ausformungen werden bei spanlosen Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Schmieden, Walzen oder Rollieren, im Wesentlichen durch Umformen und ohne Materialverlust erzeugt.
Als Flankenprofil für die Außenverzahnung der Scheibe ist grundsätzlich jede Kurvenform möglich. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei der Außenverzahnung aber um eine Evolventenverzahnung. Die Ausnehmung der Scheibe ist insbesondere kreisförmig und insbesondere ein Durchbruch, welcher beispielsweise durch Ausstanzen erzeugt worden sein kann. Die Ausnehmung kann aber alternativ auch als ein Sackloch ausgebildet sein.
Das in der Ausnehmung eingebrachte Innenprofil ist zur drehfesten Verbindung mit einer Welle ausgebildet. Somit kann es sich bei der Verbindung zwischen Getrieberad und Welle grundsätzlich um eine formschlüssige, reibschlüssige, vorgespannte formschlüssige oder eine stoffschlüssige Verbindung handeln. Zweckmäßigerweise ist aber eine Keilwellenverbindung oder eine Zahnwellenverbindung vorgesehen. Folglich kann das Innenprofil als ein Keilwellenprofil, Kerbzahnprofil oder Evolventenzahnprofil ausgebildet sein. Das Innenprofil ist spanlos in die Ausnehmung eingebracht. Das bedeutet, dass das Innenprofil im Wesentlichen ohne Materialverlust durch Umformen erzeugt ist. Zweckmäßigerweise kann das Innenprofil in etwa symmetrisch zur Außenverzahnung ausgebildet sein.
Das angegebene Getrieberad hat den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Herstellung. Das Getrieberad kann in wenigen Fertigungsschritten und dabei im Wesentlichen ohne Materialabtrag hergestellt werden. Ferner sind hierfür nur wenige verschiedenartige Fertigungsverfahren nötig. Folglich bedarf es nur weniger unterschiedlicher Maschinen und Werkzeuge und eines relativ geringen Rohmaterialeinsatzes.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Scheibe mit Außenverzahnung und zentraler Ausnehmung als ein Feinstanzteil ausgebildet. Beim Feinstanzen wird insbesondere ein Niederhalter fest auf die Werkstoffoberfläche gedrückt, wobei eine keilförmige Ringzacke in einem bestimmten Abstand von der Schnittlinie in den Werkstoff eingepresst wird. Ein Gegenhalter presst den Werkstoff gegen den Stanzstempel und in diesem Zustand wird die Scheibe aus dem Werkstoff ausgestanzt. Dabei ist die Scheibe insbesondere mit Außenverzahnung und Ausnehmung aus einem Halbzeug, beispielsweise aus 10 mm dickem Blech, ausgestanzt. Die Ausnehmung kann aber auch in einem separaten Arbeitsgang erzeugt worden sein. Durch die Ausbildung als Feinstanzteil lässt sich der Radkörper maßgenau, nahezu gratfrei, sowie mit relativ glatten Schnittflächen und damit einfach und schnell herstellen und bedarf darüber hinaus im Wesentlichen keiner Nachbearbeitung.
Das Innenprofil ist in Zweckmäßiger Weise durch Walzen, bevorzugt durch Rollieren hergestellt. Dabei wird insbesondere ein sich drehendes Rollierwerkzeug, das vereinfacht einem Zahnrad gleicht, mit Kraft umlaufend gegen die Mantelfläche der Ausnehmung gedrückt. Dadurch wird das Material entsprechend der Ausbildung des Rollierwerkzeugs derart plastisch verformt, dass sich ein entsprechendes Innenprofil in der Ausnehmung ausbildet. Durch diese Materialverdrängung vergrößert sich ferner die axiale Länge der Scheibe entlang der Rotationsachse im Bereich der Ausnehmung. Gleichzeitig wird durch das Rollieren die bearbeitete Oberfläche in einem Arbeitsgang geglättet und verfestigt. Optional kann das Innenprofil nachfolgend aber auch noch geschliffen worden sein.
Vorteilhafterweise ist die Außenverzahnung durch Walzen, bevorzugt durch Rollieren endbearbeitet. Dabei wird insbesondere ein sich drehendes Rollierwerkzeug mit Kraft gegen die Zahnflanken der Außenverzahnung gedrückt, so dass das Material plastisch verformt und die Oberfläche geglättet und verfestigt wird. Die durch das Stanzen entstehende leicht unregelmäßige Materialoberfläche und damit eventuelle Flankenfehler werden dadurch größtenteils beseitigt und die ausgestanzten Zähne verbreitert. Optional können die Zähne der Außenverzahnung nachfolgend auch noch geschliffen worden sein.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform weist die Oberfläche der Außenverzahnung und/oder die Oberfläche des Innenprofils eine gemittelte Rautiefe zwischen 0,9 μm und 2,0 μm auf. Dieser Rautiefenbereich kann insbesondere infolge des Rollierens erzielt worden sein. Das Rollierwerkzeug verdrängt das Werkstoffvolumen von Oberflächenspitzen in Profiltäler. Aus den Oberflächenspitzen entstehen Oberflächenplateaus und somit insgesamt eine geringere gemittelte Rautiefe.
Die auf ein Verfahren zur Herstellung eines Getrieberads gerichtete Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Getrieberads, insbesondere eines Sonnenrads für ein Differenzialgetriebe, wird eine im Wesentlichen zylinderförmige Scheibe einteilig mit Außenverzahnung und zentraler Ausnehmung gefertigt. In die Ausnehmung wird ein Innenprofil zur drehfesten Verbindung mit einer Welle spanlos eingebracht.
Die Scheibe wird vorzugsweise aus einem Blech hergestellt und wird mit der Außenverzahnung und der Ausnehmung mit Innenprofil einteilig gefertigt. Optional kann die Scheibe in einem letzten Arbeitsschritt noch gehärtet und gereinigt werden. Nach dem Härten ist keine spanende Bearbeitung mehr notwendig.
Die Ausnehmung des Radkörpers, welche insbesondere kreisförmig und insbesondere ein Durchbruch sein kann, wird beispielsweise durch Ausstanzen erzeugt.
Das Innenprofil wird im Wesentlichen ohne Materialverlust in die Ausnehmung eingebracht. Dabei wird insbesondere unter Anwendung von Druck oder Zug eine Umformung bewirkt.
Das dargestellte Verfahren hat den Vorteil eines kostengünstigen und einfachen Herstellungsverfahrens für ein Getrieberad. Da das Getrieberad aus einem Werkstück spanlos hergestellt wird, kann es mit den beschriebenen Vorteilen gefertigt werden.
In einer vorteilhaften Durchführung des Verfahrens wird die Scheibe mit Außenverzahnung und zentraler Ausnehmung durch Feinstanzen hergestellt. Dabei wird die Scheibe aus einem Halbzeug, beispielsweise aus 10 mm dickem Blech, ausgestanzt. Bei diesem Vorgang kann auch bereits die Außenverzahnung, insbesondere mit einem Aufmaß, erzeugt werden. Außerdem kann hierbei gleichzeitig die Ausnehmung mit eingebracht werden. Alternativ wird die Ausnehmung in einem separaten Arbeitsgang erzeugt.
Das Innenprofil wird vorteilhafterweise durch Rollieren eingebracht. Entsprechend der Ausbildung des Rollierwerkzeugs wird das Material in der Ausnehmung der Scheibe derart plastisch verformt, dass sich ein entsprechendes Innenprofil ausbildet. In diesem Arbeitsgang wird die rollierte Oberfläche gleichzeitig geglättet und verfestigt. Optional kann das Innenprofil nachfolgend aber auch noch geschliffen werden.
Vorteilhafterweise wird die Außenverzahnung rolliert. Dadurch werden die ausgestanzten Zähne verbreitert und die rollierte Oberfläche geglättet und verfestigt. Optional kann die Außenverzahnung anschließend noch geschliffen werden.
Die auf ein Differenzialgetriebe gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst.
Das erfindungsgemäße Differenzialgetriebe umfasst demnach einen Planetenträger, wenigstens ein Planetenrad und mindestens ein Getrieberad der vorbeschriebenen Art.
Vorteilhafterweise umfasst das Differenzialgetriebe zwei Getrieberäder, denen jeweils ein Satz Planetenräder zugeordnet ist. Die beiden Getrieberäder sind als Sonnenräder mit zwei Abtriebswellen drehfest gekoppelt und geben jeweils ein in das Differenzialgetriebe eingeleitetes Drehmoment weiter.
Das angegebene Differenzialgetriebe hat den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Herstellung. Durch das Einbringen mindestens eines Getrieberads der vorstehenden Art können die dort erzielten Kostenvorteile auf das Differenzialgetriebe übertragen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Getrieberads, und
2 in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Differenzialgetriebe mit zwei Getrieberädern.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist ein Getrieberad 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Das spanlos hergestellte Getrieberad 1 besteht aus einer zylinderförmigen Scheibe 2 mit Außenverzahnung 3 und einem Keilwellenprofil 4 in einer kreisförmigen, zentralen Ausnehmung. Das Keilwellenprofil 4 dient zur drehfesten Verbindung mit einer nicht dargestellten Welle, welche ein entsprechendes Gegenprofil aufweist. Die Scheibe 2 ist einteilig mit der Außenverzahnung 3 und Ausnehmung mittels Feinstanzen aus einem Blech ausgeformt. Die Oberfläche der Außenverzahnung 3 ist durch Rollieren geglättet und verfestigt und die Zähne infolge des Rollierens verbreitert. Das Keilwellenprofil 4 ist durch Rollieren innerhalb der Ausnehmung hergestellt. Die rollierte Oberfläche der Außenverzahnung und die rollierte Oberfläche des Innenprofils weisen vorteilhafterweise eine gemittelte Rautiefe von 1,6 μm auf.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Differenzialgetriebes 10 mit zwei Getrieberädern 1, 1a. Das Differenzialgetriebe 10 ist als Stirnraddifferenzialgetriebe ausgebildet und umfasst einen zweiteiligen Planetenträger 11, 11a und ein Antriebsrad 12, welches ein ringförmiges Stirnrad ist und über das die Drehmomente in das Differenzialgetriebe 10 eingeleitet werden. Ferner zeigt 2 ein Planetenrad 13. Die weiteren Planetenräder sind nicht sichtbar.
Die beiden Getrieberäder 1, 1a stehen die Sonnenräder des Getriebes 10 dar und bestehen jeweils aus einer Scheibe 2, 2a mit Außenverzahnung 3, 3a und Ausnehmung mit Keilwellenprofil 4, 4a. Die Getrieberäder 1, 1a entsprechen damit jeweils den in 1 dargestellten Getrieberädern und unterscheiden sich voneinander in ihrem Außendurchmesser. Jedes Getrieberad 1, 1a kämmt dabei mit einem Satz zugeordneter Planetenräder. Über das Keilwellenprofil 4, 4a ist das jeweilige Getrieberad 1, 1a mit jeweils einer Abtriebswelle (nicht dargestellt) drehfest verbunden.
Die Getrieberäder 1, 1a sind separat zueinander drehbar gelagert und weisen eine gemeinsame Rotationsachse 14 auf. Axial in die Längsrichtung nach innen sind die Getrieberäder 1, 1a über ein Wälzlager 15 gegeneinander abgestützt. Ferner sind die Getrieberäder 1, 1a jeweils mittels eines Gleitlagers 16, 16a an dem Planetenträger 11, 11a gelagert. Die Getrieberäder 1, 1a geben jeweils die in das Stirnraddifferenzialgetriebe 10 eingeleiteten Drehmomente an die mit ihnen drehfest gekoppelten Abtriebswellen weiter.
Bezugszeichenliste

1, 1a: Getrieberad
2, 2a: Scheibe
3, 3a: Außenverzahnung
4, 4a: Keilwellenprofil
10: Differenzialgetriebe
11, 11a: Planetenträger
12: Antriebsrad
13: Planetenrad
14: Rotationsachse
15: Wälzlager
16, 16a: Gleitlager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/003747 A2 [0004]

Claims

Getrieberad (1, 1a), insbesondere Sonnenrad für ein Differenzialgetriebe (10), umfassend eine im Wesentlichen zylinderförmige einstückige Scheibe (2, 2a) mit einer Außenverzahnung (3, 3a) und mit einer zentralen Ausnehmung, wobei in der Ausnehmung ein Innenprofil (4, 4a) zur drehfesten Verbindung mit einer Welle ausgebildet ist, und wobei das Innenprofil (4, 4a) spanlos eingebracht ist.
Getrieberad (1, 1a) nach Anspruch 1, wobei die Scheibe (2, 2a) mit Außenverzahnung (3, 3a) und zentraler Ausnehmung als ein Feinstanzteil ausgebildet ist.
Getrieberad (1, 1a) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Innenprofil (4, 4a) durch Rollieren hergestellt ist.
Getrieberad (1, 1a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenverzahnung (3, 3a) durch Rollieren endbearbeitet ist.
Getrieberad (1, 1a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche der Außenverzahnung (3, 3a) und/oder die Oberfläche des Innenprofils (4, 4a) eine gemittelte Rautiefe zwischen 0,9 μm und 2,0 μm aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Getrieberads (1, 1a), insbesondere eines Sonnenrads für ein Differenzialgetriebe (10), wobei eine im Wesentlichen zylinderförmige Scheibe (2, 2a) einteilig mit Außenverzahnung (3, 3a) und zentraler Ausnehmung gefertigt wird, und wobei in die Ausnehmung ein Innenprofil (4, 4a) zur drehfesten Verbindung mit einer Welle spanlos eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Scheibe (2, 2a) mit Außenverzahnung (3, 3a) und zentraler Ausnehmung durch Feinstanzen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Innenprofil (4, 4a) durch Rollieren eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6–9, wobei die Außenverzahnung (3, 3a) rolliert wird.
Differenzialgetriebe (10), aufweisend einen Planetenträger (11, 11a), wenigstens ein Planetenrad (13) und wenigstens ein Getrieberad (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1–5.