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Die Erfindung betrifft ein Getriebe-Schaltrad mit Laufverzahnung nämlich ein Verfahren zur Herstellung des Getriebe-Schaltrads in seiner Gesamtheit, seiner Laufverzahnung im speziellen sowie ein Kalibriergesenk und eine Kalibrierzange zur Herstellung der Laufverzahnung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche 1, 3, 7 und 12.
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Bei der Herstellung von Getriebe-Schalträdern, insbesondere für Getriebe in Kraftfahrzeugen, bei denen es auf größte Laufruhe und eine wenigstens an die Lebensdauer eines Kraftfahrzeugs angepasste Standzeit ankommt, sind höchste Anforderungen an die Zahnformgenauigkeit der Drehmoment-übertragenden Laufverzahnung zu stellen. Aus diesem Grund werden derartige Laufverzahnungen bislang spanabhebend in dafür geeigneten Fräszentren bis auf einen nachfolgenden Härtungsprozess einsatzfertig hergestellt. Unter anderem aus Kostengründen generell vorzuziehende Umformverfahren, z. B. das Schmieden, kommen bei den hohen Genauigkeitsanforderungen an eine Laufverzahnung nicht in Frage; ihre Eignung beschränkt sich auf Verzahnungen mit geringen Anforderungen an die Zahnflankengenauigkeit wie beispielsweise auf Schalt-Verzahnungen oder Kurzverzahnungen an Schalträdern.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Laufverzahnungen, insbesondere an Getriebe-Schalträdern ohne Qualitätsverlust und mit geringerem Aufwand gegenüber spanabhebend erzeugten Laufverzahnungen herzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den zu den eingangs genannten unabhängigen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Getriebe-Schaltrads mit Laufverzahnung wird zuerst in bekannter Weise ein Rohkörper des Schaltrads durch Schmieden hergestellt. Dabei wird in einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Schmiedeschritten das Schaltrad mit Laufverzahnung fertig geschmiedet, wobei die Laufverzahnung ein Kalibrieraufmaß aufweist. Dieses Kalibrieraufmaß ist abgestimmt auf den weiteren Verfahrensschritt des Kaltumformens der Laufverzahnung mit einem Kalibrierwerkzeug zum Genauformen der Zahnflanken der Laufverzahnung. Hierbei ist bekanntermaßen ein Kalibrieraufmaß zwischen 0,07 und 0,10 mm ausreichend.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren beschränkt sich somit auf Verfahrensschritte des Umformens nämlich das Fertigschmieden des Schaltrads mit Laufverzahnung und das nachfolgende Kaltumformen der Laufverzahnung bei Vermeidung jedes Verfahrensschrittes mit spanender Bearbeitung.
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Wesentliche Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, dass sich die Bearbeitungszeit durch das Kaltumformverfahren erheblich reduziert und insbesondere darin, dass der beim Schmieden der Laufverzahnung gebildete, festigkeitserhöhende Faserverlauf im Bereich der Verzahnung erhalten bleibt. Damit ergibt sich eine höhere Lebensdauer des Schaltrads.
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Eine zusätzliche Anforderung besteht zur Gewährleistung einer besonders hochwertigen Verzahnungsqualität darin, dass die fertig kalibrierte Laufverzahnung noch oberflächengehärtet und geschliffen wird. Für diesen Fall wird die Laufverzahnung mit einem Schleifaufmaß von ca. 0,15 mm kalibriert.
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Das Herstellen der Laufverzahnung im Rahmen des vorstehenden Verfahrens zur Herstellung eines Getriebe-Schaltrads mit Laufverzahnung erfordert den Einsatz eines geeigneten Kalibrierwerkzeugs, welches die Kalibrierung der Zahnzwischenräume in der für eine Laufverzahnung erforderlichen hohen Genauigkeit ermöglicht.
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Dazu schlägt die Erfindung in weiterer Ausgestaltung der vorstehen erläuterten Verfahrensschritte vor, dass nach dem Fertigschmieden der Laufverzahnung des Getriebe-Schaltrads der nachfolgende Umformschritt in einem Kalibriergesenk mittels eines neuartigen Kalibrierwerkzeugs erfolgt, dessen Formteile radial in die Zahnzwischenräume der Laufverzahnung eingedrückt werden.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Formteile des Kalibrierwerkzeugs beim Eindrücken jeweils elastisch aus einer Ausgangslage in eine Endlage des Umformprozesses verformt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Formteile jeweils gegen einen Anschlag des Kalibriergesenks elastisch verformt und bewirken durch Ihre Formgestaltung das Umformen der jeweils an einen Zahnzwischenraum angrenzenden Zahnflanken. Deren hierdurch erzielte Endform genügt allen einschlägigen Genauigkeitsanforderungen für Laufverzahnungen.
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Für diesen Umformprozess durch Kalibrieren wird vorausgesetzt, dass die fertig geschmiedete Laufverzahnung ein die Materialumformung ermöglichendes Kalibrieraufmaß besitzt.
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Das Kalibrierwerkzeug für die Herstellung der Laufverzahnung ist vorteilhaft derart ausgestaltet, dass beim Schließen des Kalibriergesenks in jeden Zahnzwischenraum der Laufverzahnung genau ein Formteil eingedrückt wird und dass beim Öffnen des Kalibriergesenks die Formteile innerhalb der Zahnzwischenräume gelöst werden, wonach das fertige Schaltrad dem Kalibrierwerkzeug entnommen wird.
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In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung ist ein Kalibriergesenk zur Herstellung einer Laufverzahung eines Getriebe-Schaltrads aus einem geschmiedeten Rohkörper des Schaltrads vorgesehen, umfassend ein Kalibrierwerkzeug zum Ausformen der Zahnflanken der Laufverzahnung des Schaltrads, einen Oberstempel zum Schließen des Kalibrierwerkzeugs, ein Kalibriergesenk zur Aufnahme des Kalibrierwerkzeugs sowie einen Gegenstempel zum öffnen des Kalibrierwerkzeugs, wobei das Kalibrierwerkzeug in Art einer Kalibrierzange ausgebildet ist, welche durch Bauelemente des Kalibriergesenk betätig wird.
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Die Kalibrierzange als solche besteht dabei aus einzelnen die Zahnzwischenräume ausformenden Formteilen, die an einem Ende miteinander verbunden sind, derart dass sie zusammen einen geschlossen Formkörper bilden. Mit ihren anderen Enden sind die Formteile unverbunden, derart dass sie beim Schließen des Gesenks in radialer Richtung in die Zahnzwischenräume der Laufverzahnung einfahren. Dabei werden kleinste Verstellwege im Rahmen der elastischen Dehnung der Formteile bewältigt.
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Das Schließen der Kalibrierzange erfolgt unter Einwirkung des Oberstempels des Kalibriergesenks auf die Oberseite der Kalibrierzange. Dabei wirkt ein sich nach oben erweiternder Außenkonus der Umfangsfläche der Kalibrierzange mit einer entsprechend konischen Hohlform des Kalibriergesenks zusammen, sodass die Formteile in die Zwischenräume der Laufverzahnung einfahren.
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Zum öffnen der Kalibrierzange ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Auswerferplatte, auf welcher die Kalibrierzange aufliegt nach oben fährt bis die Formteile von den Zahnflanken abheben.
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Um dieses Abheben funktionell sicherzustellen ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass unterhalb des Schaltrads und innerhalb der Kalibrierzange ein fest mit einer Basisplatte verbundener Anschlagkörper zentral angeordnet ist, der auf einem Stiel einen scheibenförmigen Kopfteil als Anschlag für die durch die Auswurfplatte betätigten Formteile der Kalibrierzange aufweist.
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In weiterer Ausgestaltung des Kalibriergesenks ist vorgesehen, dass die Kalibrierzange mit den zusammengeschlossenen Enden Ihrer Formteile auf den Stiel des Anschlagkörpers aufgeschoben ist.
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Eine besondere, ohne Vorbild geschaffene erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Kalibrierzange, insbesondere zur Verwendung in einem Kalibriergesenk nach Anspruch 7 besteht darin, dass die Kalibrierzange als monolithisches Bauteil ausgebildet ist, welches einen rohrförmigen Bund aufweist, an welchem alle Formteile getrennt nebeneinander angeschlossen sind, sodass sie zusammen eine Hohlform beschreiben, deren Oberfläche der Laufverzahnung eines Getriebe-Schaltrads entspricht.
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Die Formteile sind dabei in radialer Richtung im Rahmen Ihrer Elastizität beweglich, sodass sie in ihrer Engstellung, welche der geschlossen Kalibrierzange entspricht, exakt eine die Laufverzahnung umhüllende Hohlform beschreiben.
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Als Werkstoff für ein derart hoch beanspruchtes Werkzeug in Art der erfindungsgemäßen Kalibrierzange, der gut bearbeitbar ist und hart elastische Eigenschaften aufweist, eignet sich bevorzugt ein hoch legierter Werkzeugstahl.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand mehrerer Zeichnungsfiguren beschrieben. Es zeigt
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1 einen Querschnitt durch ein Kalibriergesenk mit offener und geschlossener Hälfte
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2 ein zugehöriges Werkstück als Getriebe-Schaltrad mit Laufverzahnung, in der Seiteansicht
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3 eine Kalibrierzange des Kalibriergesenks in der Seitenansicht und
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4, 5 und 6 jeweils eine dreidimensionale Ansicht der Kalibrierzange in unterschiedlicher räumlicher Anordnung.
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1 zeigt einen axialen Querschnitt durch ein Kalibriergesenk, wobei die linke Hälfte als offenes Gesenk, die rechte Hälfte als geschlossenes Gesenk dargestellt ist.
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Beim offenen Gesenk ist ein Gegenstempel 1 aus seiner tieferen Position (rechte Gesenkhälfte) gemäß Pfeil P1 gegen die Unterseite einer Basisplatte 2 des Kalibriergesenks nach oben verfahren. Mit dem Gegenstempel 1 werden Auswerferbolzen 3, von denen mehrere über den Umfang verteilt vorgesehen sind, gemäß Pfeil P2 nach oben verfahren. Mit Ihren oberen Enden bewirken sie dadurch das Anheben einer Auswerferplatte 4, sodass sich eine auf der Auswerferplatte 4 sitzende Kalibrierzange 7 nach Beendigung des Kalibriervorgangs von den Zahnflanken einer Laufverzahnung 5 eines Getriebeschaltrads 6 löst.
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3 zeigt die als monolithisches Bauteil ausgebildete Kalibrierzange 7, welche an einem gemeinsamen Bund 8 angesetzte, entsprechend der Schrägverzahnung der Laufverzahnung 5 durch Trennschnitte 9 getrennte Formteile 10 aufweist. Durch die Trennschnitte 9, auch wenn diese nur von sehr geringer Breite sind, wird eine begrenzte gegenseitige Beweglichkeit der Formteile 10 ermöglicht.
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Beim Schließen des Gesenks unter Last, d. h. mit Niederdrücken des Oberstempels 11 gemäß Pfeil P4 werden die Formteile 10 radial in Richtung des Pfeils P3 in die Zahnzwischenräume der Laufverzahnung 5 eingefahren. Diese Bewegung des Einfahrens der Formteile 10 erfolgt entsprechend der in der Zeichnung erkennbaren leichten Konizität des Außenumfangs der Kalibrierzange 7 im Bereich des von den Formteilen 10 oberhalb ihres Bunds 8 gebildeten Formkörpers 22. Der dabei zu beachtende Konuswinkel W des Formkörpers 22 ist abhängig von der Breite der Trennfugen zwischen den Formteilen 10; er liegt bevorzugt bei etwa 10 Grad wobei zu beachten ist, dass eine Selbsthemmung der Formteile 10 im Gesenk möglichst zu vermeiden ist.
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Um das einwandfreie Öffnen des Gesenks sicherzustellen werden die Formteile 10 in Folge der Aufwärtsbewegung gemäß Pfeil P2 der Auswerferplatte 4 nach oben bewegt, wobei sie sich nach innen hin gegen ein umfangsseitig abgeschrägtes Kopfteil 12 eines zentralen Anschlagkörpers 13 abstützen.
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Der die Formteile 10 verbindende gemeinsame Bund 8 der Kalibrierzange 7 ist auf einen unterhalb des Kopfteils 12 angesetzten Stiel 14 des Anschlagkörpers 13 zentral fixiert. Der Anschlagkörper 13 ist mittels eines Gewindestutzens 15, der in eine Gewindebohrung der Basisplatte 2 eingreift, fest mit dieser und damit dem Gesenk verbunden. Der Anschlagkörper 13 dient also einerseits der Fixierung der Kalibrierzange 7 im Kalibriergesenk; außerdem dient dessen Kopfteil 12 als Anschlag für die Formteile 10 während der Öffnungsbewegung der Auswerferplatte 4, sodass sich die Formteile 10 von den Zahnflanken innerhalb der Zahnzwischenräume und voneinander lösen bis die in der linken Hälfte der 1 gezeigte Öffnungsstellung des Kalibriergesenks erreicht ist.
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In der Darstellung des offenen Gesenks (siehe linke Seite der 1) ist das Getriebe-Schaltrad 6 mit Laufverzahnung 5 gezeichnet, deren Oberkante 23 entsprechend der Hubbewegung der Auswerferplatte 4 über der auf der rechten Seite der 1 dargestellten Lage der Oberkante 23 bei geschlossenem Gesenk liegt, wo sie mit den Oberseiten der daran anschließenden Gesenkteile bündig verläuft. Bei diesen Gesenkteilen handelt es sich um weitere mit der Basisplatte 2 des Kalibriergesenks fest verbundene Bauelemente nämlich von innen nach außen ineinandergreifend, eine Zangenaufnahme 16, einen Gesenktopf 17 und einen Gesenkmantel 18. Dabei versteht sich von selbst, dass die Hohlform des Innenumfangs der Zangenaufnahme 16 entsprechend dem Außenkonus W des Formkörpers 22 der Kalibrierzange, d. h. gleichartig konisch verläuft, sodass durch Niederfahren des Oberstempels 11 gemäß Pfeil P4 die das Kalibrieren bewirkende Radialbewegung der Formteile 10 gemäß Pfeil P3 ausgelöst wird.
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Aus 1 wird deutlich, dass das Schaltrad 6 ohne weitere Abstützung innerhalb der Formteile 10 der Kalibrierzange 7 gehalten wird. Dies gilt sowohl für das geschlossene als auch für das offene Gesenk, was man daran erkennen kann, dass unterhalb der Unterkante 24 des Schaltrads 6 die Innenansicht auf dahinter liegende Formteile 10 erscheint, nämlich bei geschlossenem Gesenk als schmaler Spalt 19 (rechte Zeichnungshälfte) und bei offenem Gesenk (linke Zeichnungshälfte) als demgegenüber deutlich breiterer Spalt 20.
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Neben der Laufverzahnung 5 umfasst das Getriebe-Schaltrad 6 noch eine Kurzverzahnung 21 siehe (1 u. 2), welche innerhalb der Laufverzahnung 5 und über diese axial hinausragend angeordnet ist, um bei Schaltvorgängen die Drehzahlen der zu koppelnden Laufverzahnungen zu synchronisieren und damit ein stoßfreies Schalten zu ermöglichen.
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Da es sich bei der beschriebenen Kalibrierzange 7 um ein neuartiges Kalibrierwerkzeug handelt, ist zur Verbesserung der räumlichen Vorstellung in den 4, 5 und 6 die Kalibrierzange 7 in verschiedenen räumlichen Ansichten dreidimensional dargestellt. Es handelt sich um ein monolithisches also einteiliges Bauteil, welches sich zusammensetzt aus einem schmalen rohrförmigen Bund 8 mit daran angeschlossenem Formkörper 22, der aus einzelnen Formteilen 10 besteht, die durch schmale Trennschnitte 9 voneinander getrennt, aber mit dem Bund 8 jeweils einstückig verbunden sind. Derartige Trennschnitte werden erzeugt mit extrem geringen Schnittbreiten mittels elektrischer Schneideverfahren, beispielsweise durch Lasern, Drahterodieren oder dergleichen.
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Die einzelnen Formteile 10 verlaufen in einer Schräge die der als Schrägverzahnung ausgebildeten Laufverzahnung 5 entspricht, sodass je Zahnzwischenraum ein Formteil 10 vorgesehen ist. In den 4 und 5 erkennt man deutlich das Negativbild 24 der Laufverzahnung auf der Innenseite des Formkörpers 22. Die einzelnen Trennschnitte 9 sind jeweils bis nahe an den Bund 8 heran geführt und enden dort jeweils mit einer kleinen Bohrung 25.
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In den 4 bis 6 befinden sich die Formteile 10 in ihrer unbelasteten Ausgangsposition, wie in der linken Hälfte von 1 dargestellt. Erst durch das Aufpressen des Oberstempels 11 kommt es zur gegenseitigen Anlage der Formteile 10, die mit Absenken des Oberstempels 11 in die konische Hohlform der Zangenaufnahme 16 zunehmend radial in die Zahnzwischenräume der Laufverzahnung 5 hinein ausgefahren werden, wo sie die erwünschte Kalibrierung bewirken. Wegen der geringen Umformtiefe beim Kalibrieren kann diese Tätigkeit, d. h. der Arbeitsvorgang des Kalibrierens, im Rahmen der elastischen Verformung der Formteile 10 erfolgen.
