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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Zur Herstellung derartiger Schalträder ist es aus
EP 1 015 783 B1 bekannt, eine als Kuppelverzahnung dienende Kurzverzahnung an einem durch Schmieden hergestellten Rohling auszuformen und nach dem Schmiedevorgang in einem einstufigen Kalibrierschritt fertig zu stellen. Die Hinterstellung der Zahnflanken der Kuppelverzahnung erfolgt dabei durch Verkürzen der Zahnbreite wobei gleichzeitig das Einspurdach ausgeformt und die daran anschließenden Zahnflanken angeschrägt werden, so dass die erwünschte Hinterstellung entsteht. Bei Verwendung eines einteiligen Kalibriergesenks genügt die Formgenauigkeit der Kuppelverzahnung nicht allen Anforderungen.
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Alternativ dazu kann für den Kalibrierschritt ein Segmentwerkzeug verwendet werden, bei welchem das Untergesenk in eine Anzahl von Segmenten, welche jeweils mehrere Zähne umfassen, geteilt ist, so dass das Werkstück mit hinterschnittenen Zahnflanken der Kuppelverzahnung durch radiales Auseinanderfahren der Segmente ausgeformt werden kann. Die Formgenauigkeit der Kuppelverzahnung wird dadurch verbessert.
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Ferner ist ein Herstellungsverfahren bekannt (
DE 10 2013 002 043.3 ), bei welchem jeder Zahnzwischenraum der Kuppelverzahnung durch einen speziellen Schieber, deren Formenden zusammen das Untergesenk bilden, geformt wird. Durch diese extreme Teilung des Kalibriergesenks ist ein derartiges Schieberwerkzeug hinsichtlich der Zähnezahl begrenzt. In seiner Anwendung ist dieses Schieberwerkzeug überdies beschränkt auf Schaltradformen mit guter Zugänglichkeit für die Schieber zwecks Ausbildung eines speziellen Gesenkhohlraums. Wegen des komplexen Aufbaus eines derartigen Schieberwerkzeugs ist es einem starken Verschleiß unterworfen mit der Folge verhältnismäßig kurzer Standzeiten. Außerdem ist seine Herstellung kostenintensiv.
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Demgegenüber ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Erzeugung von Schalträdern mit Kuppelverzahnung bei begrenztem Herstellungsaufwand und besonders hoher Genauigkeit der Kuppelverzahnung zu ermöglichen, deren Oberflächengüte über die bekannten Umformverfahren hinaus zu steigern, deren Standzeit zu verlängern und genaue Aufspannflächen für die nachfolgende Bearbeitung der Laufverzahnung zu gewährleisten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach einem Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Durch die beiden erfindungsgemäß aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte des Kaltkalibrierens gelingt es, die durch das vorangehende Schmiedeverfahren prozessbedingten Nachteile zu vermeiden; dazu zählen nicht nur die bekannten Form- und Lagefehler, wie sie für das Warmumformverfahren typisch sind; hinzu kommen Verschleiß der Werkzeuge, Auftreten von Zunderverzug, Verwerfungen bei der Abkühlung und dergleichen.
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Derartige Unzulänglichkeiten werden durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeglichen, in dem der Warmumformung wenigstens zwei Verfahrensschritte des Kaltkalibrierens nachgeschaltet werden, mit welchen unterschiedliche Wirkungen bei zunehmender Formgenauigkeit erzielbar sind.
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Durch den ersten Verfahrensschritt des Schmiedens wird, wie an sich bekannt, das Zahndach der Zähne der Kuppelverzahnung durch tropfenförmige Vorsprünge, welche durch Zahnüberbreiten erzeugt sind, gebildet. Die Zähne werden demzufolge zunächst mit einer Überbreite auf der Seite des späteren Einspurdachs also gegenüber ihrem an einem Strukturbauteil des Schaltrads angebundenem Ende geschmiedet. Die Tropfenform des Zahndachs ist dabei eine noch verhältnismäßig ungenaue Vorform des fertigen Zahndachs.
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Im nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt, dem ersten Kaltkalibrieren des geschmiedeten Zahnrohlings, werden die Zähne der Kuppelverzahnung in einer formgenauen Zwischenform mit präzise ausgebildeten Zahndach und Zahnkörper hergestellt. Dessen an das Zahndach anschließende Zahnform ist gekennzeichnet durch einen über die gesamte Zahnbreite gleichbleibenden Zahnquerschnitt. Damit entsteht ein teilfertiges Schaltrad mit genauer aber noch nicht endgültiger Zahnform der Kuppelverzahnung. Dadurch, dass der an das Zahndach anschließende Zahnkörper im Wesentlichen säulenförmig ausgebildet ist, also keinerlei Hinterschneidung der Zahnflanken aufweist, kann ein einteiliges Kalibriergesenk verwendet werden, aus welchem das teilfertige Schaltrad mittels eines axial einwirkenden Auswerfers entformbar ist.
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Die Zähne der Kuppelverzahnung des teilfertigen Schaltrads besitzen demzufolge eine genaue Zwischenform und ein Volumen, welches mit hoher Genauigkeit dem Zahnvolumen des endfertigen Schaltrads entspricht.
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Durch den dritten Verfahrensschritt, dem zweiten Kaltkalibrieren, wird das teilfertige Schaltrad, dass das endfertige Schaltrad umgeformt. Erst in dieser Endform besitzt das Schaltrad ein für den Einspurvorgang präzise ausgebildetes Zahndach, an welches sich die Zahnflanken, in Richtung der Zahnbreite gesehen, mit Hinterschnitt ihrer Zahnflanken anschließen.
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Auch die Oberflächengüte der Kuppelverzahnung des endfertigen Schaltrads entspricht durch das zweifache Kaltkalibrieren höchsten Ansprüchen der Kraftfahrzeugindustrie. Von modernen Schaltgetrieben wird nicht nur das ruckfreie Schalten der Gänge sondern auch deren zuverlässiges schaltfehlerfreies Halten gefordert. Beide Eigenschaften profitieren von der präzisen Ausbildung des Einspurdachs einerseits und der Hinterschneidung der Zahnflanken der Zähne der Kuppelverzahnung andererseits.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Überbreite der Zähne der Kuppelverzahnung im Bereich des Zahndachs durch das Kaltkalibrieren im zweiten, bevorzugt im dritten Verfahrensschritt beseitigt wird, derart, dass die Zahnbreite der Endform der Kuppelverzahnung entspricht.
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Eine für die spätere spanende Herstellung der Laufverzahnung des Schaltrads besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das teilfertige Schaltrad nach dem ersten Kalibrierschritt und/oder das endfertige Schaltrad nach dem zweiten Kalibrierschritt mit wenigstens einer Aufspannfläche, welche die Basis für den Rundlauf des Schaltrads mit fertiger Laufverzahnung bildet, versehen wird.
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Dabei ist es zweckmäßig, nicht nur eine genaue Aufspannfläche senkrecht zur Schaltradachse durch den Boden des Kalibriergesenks zu verwirklichen sondern an deren Stelle oder zusätzlich weitere Aufspannflächen vorzusehen. Eine bevorzugte Ausführungsform hierfür ist eine kreisförmig um die Schaltradachse verlaufende Aufspannfläche, angrenzend an den Innenumfang des Kalibriergesenks.
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Durch Kombination der beiden Aufspannflächen nämlich einer bodenseitigen und einer umfangsseitigen wird das Ziel eines einwandfreien Rundlaufs des Schaltrads in besonders vorteilhafter Weise erreicht. Sie gewährleistet ein präzises Aufspannen des Schaltrads für die nachfolgende Drehbearbeitung zur Erzeugung der Laufverzahnung.
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Als Kalibriergesenke des zweiten und dritten Verfahrensschritts gemäß dem Kennzeichen von Patentanspruch 1 kommen erfindungsgemäß unterschiedliche Kalibriergesenke zum Einsatz, wodurch sich der Herstellungsaufwand insgesamt reduziert.
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In diesem Sinne genügt es, zum Erzeugen des teilfertigen Schaltrads mit über die Zahnbreite gleichbleibendem Querschnitt der Zähne der Kuppelverzahnung ein ungeteiltes Kalibriergesenk zu verwenden, welches das Entformen durch einen in axialer Richtung bewegten Auswerfer ermöglicht.
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Für das Umformen des endfertigen Schaltrads in einem nachfolgenden zweiten Kalibrierschritt genügt es, anstelle kompliziert aufgebauter an sich bekannter Schieberwerkzeuge, welche zusammen das Kalibriergesenk bilden, ein einfaches Segmentwerkzeug zu verwenden, womit das Entformen des endfertigen Schaltrads mit hinterschnittenen Zahnflanken der Zähne der Kuppelverzahnung ohne Verlust an Formgenauigkeit erfolgen kann. Je Segment sind bei einem derartigen Segmentwerkzeug je nach Zahnform eine Mehrzahl von Zähnen eingearbeitet, sodass die Segmente zum Entformen radial ausgerückt werden können.
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Bei Verwendung einfacher Kalibrierwerkzeuge ermöglicht somit das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von Schalträdern mit hoher Genauigkeit nicht nur hinsichtlich der Verzahnungsform sondern auch der Teilung der Kuppelverzahnung sowie deren Oberflächengüte. Darüber hinaus wird für die spätere Bearbeitung der Laufverzahnung eine hohe Rundlaufgenauigkeit erzielt, in dem durch die beiden Verfahrensschritte des Kaltkalibrierens geeignete Aufspannflächen für die spätere Drehbearbeitung geschaffen werden.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt
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1 in 3D-Darstellung einen Zahn der Kuppelverzahnung nach drei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten
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2 einen schematischen axialen Halbschnitt durch ein Kalibriergesenk der ersten Kaltumformstufe und
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3 einen schematischen axialen Halbschnitt durch ein Kalibriergesenk der zweiten Kaltumformstufe.
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1 zeigt in perspektivischer Darstellung drei Zahnformen a, b, c eines Zahnes einer Kuppelverzahnung an einem Schaltrad für ein Fahrzeug-Schaltgetriebe.
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Jeder Zahn besitzt ein dachförmig ausgebildetes Einspurende zum Einleiten des Kupplungsvorgangs mit einem weiteren Schaltrad, einem Synchronring oder dergleichen. An das Einspurende jeden Zahns schließt sich in Richtung der Zahnbreite gemäß Pfeil P1 jeweils ein länglicher Zahnkörper an, dessen dem Einspurende gegenüberliegendes Ende eine Ausrundung r zur Oberseite eines Stützkörpers k des Schaltrads besitzt, an welchem die Zähne der Kuppelverzahnung angeformt sind.
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Die Zahnform a entspricht dem Zahnradrohling nach einem ersten Verfahrensschritt, wobei das Zahndach eine durch Schmieden erzeugte Tropfenform t aufweist, welche durch eine Zahnüberbreite gebildet ist. An das Zahndach schließt der Zahnkörper an, dessen Zahngeometrie die durch das Schmieden bedingten Ungenauigkeiten aufweist. Ursächlich hierfür sind prozessbedingte Werkzeugtoleranzen, Oberflächenverschleiß durch den Schmiedevorgang, Zunderbildung, Abkühlungsverzug und dergleichen.
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Die Zahnform b entspricht dem Ergebnis eines zweiten Verfahrensschritts, wobei der Zahnradrohling durch Kaltkalibrieren eines teilfertigen Schaltrads in einer ersten Kaltumformstufe (erster Kalibrierschnitt) umgeformt wird. Entsprechend dem für die Kaltumformung verwendeten Präzisionswerkzeug in Form eines Kalibriergesenks werden hierbei die geforderten Genauigkeiten an die Verzahnung, die Formgenauigkeit der Zähne der Kuppelverzahnung, deren Teilung und Oberflächengüte erreicht. Der Zahnkörper einschließlich des Zahndachs, welches auch hier durch eine Zahnüberbreite gebildet ist, ist dabei präzise ausgeformt, d. h. er besitzt über die gesamte Zahnbreite gemäß Pfeil P1 einen gleichbleibenden Zahnquerschnitt und ein genau vorgegebenes Volumen.
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Mit diesem zweiten Verfahrensschritt entsteht ein teilfertiges Schaltrad. Es erhält dabei eine genaue Basis für die spätere Drehbearbeitung in Form von Aufspannflächen am Umfang des Schaltrads und auf einer Stirnseite desselben, so dass die spanende Einarbeitung der Laufverzahnung mit hoher Genauigkeit hinsichtlich ihres Rundlaufs erfolgen kann.
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Die Zahnform c zeigt als Ergebnis eines dritten Verfahrensschritts einen fertigen Zahn des endfertigen Schaltrads, wobei in einer zweiten Kaltumformstufe (zweiter Kalibrierschnitt) das Zahndach, welches in den Zahnformen a und b über die Zahnbreite hinausragt, innerhalb derselben zu einem fertigen Einspurdach d fertig geformt ist und wobei die seitlichen Zahnflanken f eine Hinterschneidung erhalten haben. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zahndicke im Bereich der Seitenflanken f von der Ausrundung r zum Zahndach hin zunimmt, wodurch ein unerwünschtes Ausrücken der durch den Schaltvorgang ineinandergreifenden Zähne zweier Kuppelverzahnungen zuverlässig vermieden wird.
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2 zeigt zu einem ersten Kaltkalibrierschritt einen axialen Halbschnitt durch ein geschlossenes Kalibriergesenk, bestehend aus Obergesenk 1 und Untergesenk 2. Im inneren des Gesenkhohlraums befindet sich ein teilfertiges Schaltrad 3, hergestellt aus dem geschmiederten Zahnradrohling und Durchführung der ersten Stufe der Kaltumformung (erster Kalibrierschnitt). Das Werkstück ist durch seine schraffierte Schnittfläche und durch eine strichpunktierte Linie 12 seiner Außenkontur deutlich als teilfertiges Schaltrad 3 erkennbar. Die Schnittebene verläuft durch einen Zahn 4 der Kuppelverzahnung mit tropfenförmigem Zahndach 5.
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Das Obergesenk 1 ist innerhalb eines Armierungsrings 6 vertikal geführt, das Untergesenk 2 innerhalb einer Topfform 7.
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Genau bearbeitete Aufspannflächen, die für die spätere Einarbeitung einer Laufverzahnung im Bereich 8 des teilfertigen Schaltrads 3 für dessen Rundlaufgenauigkeit von Wichtigkeit sind, befinden sich auf der Oberfläche des Schaltrads 3 im Bereich seiner Umfangsfläche angrenzend an die Strichmarkierung 9 sowie im Bereich seiner Bodenfläche, angrenzend an die Strichmarkierung 10. Ein (nicht gezeichneter) Auswerfer ist innerhalb der Mittelbohrung 11 des Untergesenks 2 geführt.
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Selbstverständlich handelt es sich im Übrigen um ein Beispiel eines Schaltrads 3, welches eine beliebige dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechende Kontur aufweisen kann, wobei dessen Kuppelverzahnung durch zweistufige Kaltumformung mit hoher Genauigkeit insbesondere im Bereich der Zähne 4 und der Aufspannflächen (bei 9 und 10) hergestellt wird.
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Erst in einem zweiten Kalibrierschritt gemäß 3 wird das in 2 dargestellte teilfertige Schaltrad 3 umgeformt in ein endfertiges Schaltrad 13, welches bis auf geringe Abweichungen mit dem teilfertigen Schaltrad 3 gemäß 2 übereinstimmt. Eine wesentliche Abweichung betrifft die Ausformung des Zahndachs in Form eines fertigen Einspurdachs 15, welches der Zahnform c gemäß 1 entspricht.
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Selbstverständlich findet im zweiten Verfahrensschritt des Kaltkalibrierens gemäß 3 ein weiteres, die Genauigkeit erhöhendes Nachkalibrieren der Aufspannflächen in den Bereichen der beiden Strichmarkierungen 9, 10 statt. Im Übrigen sind in 3 mit 2 im wesentlichen gleiche Bauteile mit denselben Bezugsziffern versehen.
