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Die Erfindung betrifft eine Kupplungsscheibe für eine Synchronisationseinrichtung eines Schaltgetriebes, die eine Außenverzahnung und eine zentrale Öffnung aufweist, sowie ein Herstellungsverfahren.
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Zur Montage auf einem zugehörigen Gangrad werden derartige Kupplungsscheiben auf einen Stutzen am Gangrad aufgesteckt und mit diesem beispielsweise verschweißt. Um ein genügend hohes Drehmoment von der Kupplungsscheibe zum Gangrad übertragen zu können, ist eine Mindestbreite der Schweißnaht erforderlich. Diese geht einher mit einer Mindestbreite der Kupplungsscheibe am inneren Umfang der Öffnung.
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Am radial äußeren Rand wird die notwendige Dicke der Kupplungsscheibe hingegen durch eine Einschalttiefe der Schiebemuffe in die Außenverzahnung der Kupplungsscheibe bestimmt. Das Eingreifen der Verzahnungen ineinander wird durch eine Anspitzung der Außenverzahnung der Kupplungsscheibe erleichtert, die z.B. in Form von Dachschrägen ausgebildet ist. Die verbleibende Tiefe der Außenverzahnung muss so groß sein, dass eine ausreichende Kraftübertragung von der Verzahnung der Schiebemuffe auf die Kupplungsscheibe erfolgt. Die hierzu benötigten Abmessungen sind jedoch normalerweise kleiner als die zur Ausbildung der Schweißnaht erforderliche Dicke bzw. die für eine ausreichende Überdeckung mit der Verzahnung der Schiebemuffe erforderlichen axialen Länge.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kupplungsscheibe bezüglich der Material- und Herstellkosten zu optimieren.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einer Kupplungsscheibe für eine Synchronisationseinrichtung eines Schaltgetriebes mit einer Außenverzahnung und einer zentralen Öffnung erreicht, indem ein die Öffnung definierender Umfangsrand eine Verdickung, verglichen mit der Dicke der Kupplungsscheibe in einem Abschnitt, der radial einwärts unmittelbar an den Zahnfußbereich der Außenverzahnung angrenzt, aufweist, und wobei auf einer gangradseitigen Stirnfläche der Kupplungsscheibe mehrere gegenüber der Stirnfläche vorstehende Abstützvorsprünge vorgesehen sind. Die Kupplungsscheibe weist unterschiedliche Dicken auf. Im Bereich der zentralen Öffnung ist die Dicke größer, um eine ausreichende Breite der Schweißnaht zu gewährleisten, während die Kupplungsscheibe radial unmittelbar einwärts der Verzahnung im Wesentlichen nur so dick ausgeführt ist, dass der optimale Eingriff der Verzahnung der Schiebemuffe in die Außenverzahnung gegeben ist. Um trotz der Dickenunterschiede eine ausreichende gleichmäßige Abstützung der Kupplungsscheibe am Gangrad zu erreichen, sind die Abstützvorsprünge vorgesehen, mit denen sich die Kupplungsscheibe am Gangrad abstützt und die so die Kupplungsscheibe stabilisieren. Mit diesen beiden Maßnahmen lässt sich bei gleichbleibender Stabilität die Dicke der Kupplungsscheibe über einen Großteil ihrer Ausdehnung reduzieren und so Material einsparen.
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Die Verdickung läuft vorteilhaft umfangsmäßig geschlossen um die Öffnung um, sodass eine gleichmäßige Schweißverbindung mit dem Gangrad einfach hergestellt werden kann. Es ist aber auch möglich die Verdickung durch mehrere über den Umfang verteilte Vorsprünge zu bilden.
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Vorzugsweise ist die Verdickung nur an einer Stirnfläche vorgesehen. Die gangradabgewandte Stirnfläche der Kupplungsscheibe kann im Wesentlichen flach und ohne Fortsätze ausgeführt sein.
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Der Durchmesser der zentralen Öffnung ist bevorzugt an jeder axialen Position kreisförmig, wobei sich der Durchmesser zur gangradabgewandten Seite hin vergrößern kann.
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Die Dicke der Kupplungsscheibe ist vorzugsweise mit Ausnahme der Anspitzung der Außenverzahnung, der Verdickung sowie der Abstützvorsprünge im Wesentlichen konstant.
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Die Dicke der Kupplungsscheibe kann beispielsweise radial einwärts unmittelbar an den Zahnfuß angrenzend in etwa um ein Viertel bis die Hälfte und insbesondere um ein Drittel geringer sein als im Bereich der Verdickung.
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Die Abstützvorsprünge und die umlaufende Verdickung enden dabei vorzugsweise axial auf derselben Höhe bzw. sind so an das Gangrad angepasst, dass sich die Kupplungsscheibe im unbelasteten Zustand am Gangrad abstützen kann.
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Die beschriebene Gestaltung erlaubt es, als Ausgangsmaterial für die Kupplungsscheibe eine Platte mit gleichmäßiger Materialstärke zu verwenden, vorzugsweise aus einem geeigneten Metall.
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Die Verdickung und die Abstützvorsprünge können einfach durch Umformen hergestellt werden. Die Abstützvorsprünge werden dabei vorzugsweise durch Prägen, Durchstellen, Stauchen, Tiefziehen oder Durchsetzen geformt. Die Verdickung wird zum Beispiel durch plastisches Umformen, insbesondere durch axiales Biegen des Umfangsrandes der Öffnung oder durch Prägen einer Stufe am Umfangsrand gebildet.
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In einer erfindungsgemäßen Synchronisationseinrichtung mit einer Kupplungsscheibe, wie sie oben beschrieben wurde, ist die Kupplungsscheibe mit der zentralen Öffnung auf ein Gangrad aufgesteckt, sodass die Abstützvorsprünge am Gangrad anliegen, wobei insbesondere die Verdickung mit dem Gangrad verschweißt ist.
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Um das Verschweißen zu erleichtern, kann sich der Durchmesser der Öffnung im Bereich der Verdickung axial nach außen, insbesondere zur gangradabgewandten Seite, aufweiten.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Kupplungsscheibe, bei dem durch axiales Umformen einer ebenen Scheibe die Verdickung und die Abstützvorsprünge geformt werden, die Kupplungsscheibe gehärtet wird und im Bereich der Schweißnaht zur Verbindung mit einem Gangrad zur Entfernung des gehärteten Bereichs abgedreht wird. Die erfindungsgemäße Synchronisationseinrichtung wird dann dadurch hergestellt, dass die abschnittsweise abgedrehte Kupplungsscheibe mit dem Gangrad verschweißt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kupplungsscheibe gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 einen Ausschnitt aus der Kupplungsscheibe aus 1;
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3 eine schematische Schnittansicht der Kupplungsscheibe aus 1 verschweißt an einem angedeuteten Gangrad;
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4 bis 6 Herstellungsschritte einer erfindungsgemäßen Kupplungsscheibe gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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7 bis 9 Herstellungsschritte einer erfindungsgemäßen Kupplungsscheibe gemäß einer dritten Ausführungsform; und
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10 eine Kupplungsscheibe in einem Ausgangszustand vor der Bearbeitung.
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1 zeigt eine Kupplungsscheibe 10 einer Schaltgetriebe-Synchronisationseinrichtung. Die Kupplungsscheibe 10 hat an ihrem radial äußeren Umfang eine Außenverzahnung 12. Die Zähne der Außenverzahnung 12 haben an einer Seite eine Anspitzung 14 (siehe z.B. 3 und 4), die das Einfädeln einer Innenverzahnung einer nicht dargestellten Schiebemuffe erleichtert.
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Die Kupplungsscheibe 10 weist außerdem eine zentrale Öffnung 16 auf, mit der die Kupplungsscheibe 10 auf einen an einem Gangrad 18 ausgebildeten Befestigungsstutzen 20 aufgesteckt wird (in 3 schematisch angedeutet). Der Umfangsrand der Öffnung 16 ist als umfangsmäßig geschlossen umlaufende Verdickung 22 ausgebildet, die in axialer Richtung A über die ansonsten ebene, gangradseitige Stirnfläche 24 der Kupplungsscheibe 10 hervorsteht.
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In Radialrichtung r erstreckt sich die Verdickung 22 nur über einen relativ kleinen Bereich, beispielsweise etwa 5 bis 20 % der gesamten radialen Erstreckung der Kupplungsscheibe 10.
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Die Kupplungsscheibe 10 ist im Bereich der Verdickung 22 radial einwärts unmittelbar an den Zahnfußbereich 26 der Außenverzahnung 12 angrenzend hier in etwa um ein Viertel dünner als im Bereich der Verdickung. Die Kupplungsscheibe ist in diesem Beispiel an der Verdickung ca. 4 mm breit, während die Dicke auf der Fläche typischerweise ca. 3 mm beträgt. Generell kann die Dicke direkt radial unterhalb des Zahnfußes 26 um ein Viertel bis zu Hälfte geringer sein als im Bereich der Verdickung 22.
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Außerdem weist die Kupplungsscheibe 10 auf der gangradseitigen Stirnfläche 24 über ihren Umfang gleichmäßig verteilt mehrere Abstützvorsprünge 28 auf, in diesem Beispiel sechs, die axial gegenüber der Stirnfläche 24 vorstehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 1 nicht sämtliche Abstützvorsprünge 28 mit Bezugszeichen versehen.
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Jeder der Abstützvorsprünge 28 erstreckt sich in Axialrichtung A in diesem Beispiel genauso weit über die Stirnfläche 24 hinaus wie die Verdickung 22, sodass die Verdickung 22 und sämtliche Abstützvorsprünge 28 axial auf derselben Höhe enden.
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Ist die Kupplungsscheibe 10 am Gangrad 18 montiert, so liegen die axialen Enden der Verdickung 22 sowie die der Abstützvorsprünge 28 insbesondere bereits im unbelasteten Zustand der Kupplungsscheibe 10 am Gangrad 18 an. Die restliche Stirnfläche 24 ist hingegen vom Gangrad 18 beabstandet.
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Die Kupplungsscheibe 10 weist außerdem noch mehrere Ausnehmungen auf, die als durchgehende Öffnungen gestaltet sind und die beispielsweise dem Eingriff eines Synchronrings dienen.
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Die gangradabgewandte Stirnfläche 30 ist in diesem Beispiel im Wesentlichen flach ausgebildet.
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Wie in 3 gut zu erkennen ist, ist der Querschnitt der Öffnung 16 auf jeder axialen Höhe stets kreisförmig, jedoch erweitert sich der Durchmesser der Öffnung 16 hin zur gangradabgewandten Stirnfläche 30 der Kupplungsscheibe 10 aufgrund eines vorhandenen Biegeradius. Hierdurch entsteht ein Zwischenraum 32 zwischen der Oberfläche des Befestigungsvorsprungs 20 des Gangrads 18 und dem Innenrand 34 der Öffnung 16. Im gezeigten Beispiel wird dieser Zwischenraum 32 zum Verschweißen der Kupplungsscheibe 10 mit dem Gangrad 18 genutzt, wobei eine ringförmige Schweißnaht 36 in zumindest einen Teil des Zwischenraums 32 gelegt wird.
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Die Kupplungsscheibe 10 lässt sich aus einem ebenen Blechrohling in Form einer dünnen Metallplatte durch Stanzen und Umformen herstellen.
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Die Außenverzahnung 12 wird auf herkömmliche Weise gefertigt.
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Die Abstützvorsprünge 28 können durch Prägen, Durchsetzen oder Durchstellen hergestellt werden.
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Die Verdickung 22 wird beispielsweise durch axiales Umformen des Rands der Öffnung 16 ausgebildet, sodass sich der vorerwähnte Biegeradius ergibt. Möglichkeiten für das Umformen sind axiales Biegen, Prägen, Durchstellen und/oder Stauchen des Umfangsrandes.
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Bei der in den 4 bis 6 dargestellten Ausführungsform umfasst das Herstellungsverfahren noch Schritte zum Härten der Kupplungsscheibe 10 und teilweisem Abtragen der gehärteten Bereiche.
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Das Härten der Oberfläche der Kupplungsscheibe 10 ist erforderlich, um deren Widerstandsfähigkeit zu erhöhen. Jedoch lassen sich gehärtete Bereiche schlecht schweißen.
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Der in 4 dargestellte Rohling einer Kupplungsscheibe weist bereits die Form und Abmessungen der späteren fertigen Kupplungsscheibe 10 auf, mit Ausnahme des Bereichs der inneren Öffnung 16. Die Außenverzahnung 12 und die Abstützvorsprünge 28 sind bereits ausgebildet.
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Vor dem Härten wird durch Verformen in axialer Richtung des Umfangsrands der Öffnung 16 eine Verdickung hergestellt, die später die Verdickung 22 bildet, gegenüber dieser jedoch noch ein Übermaß aufweist.
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Dieser Rohling wird einem Härteverfahren unterzogen, bei dem die Oberfläche des Materials gehärtet wird. Die Form des Rohlings wird beim Härten nicht verändert. Dies ist in 5 dargestellt.
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Als letzter Bearbeitungsschritt wird Material am Innenrand 34 der Öffnung 16 abgetragen (6). Dabei wird über einen Großteil der axialen Länge der Öffnung 16 ein konstanter Materialabtrag ∆d vorgenommen. Zusätzlich wird der gangradabgewandte Rand der Öffnung 16, der zur gangradabgewandten Stirnfläche 30 der Kupplungsscheibe 10 zeigt, angeschrägt, sodass sich die Öffnung 16 zur gangradabgewandten Stirnfläche 30 hin erweitert. Diese Anschrägung bildet beim Verschweißen mit dem Gangrad 18 wie in 3 gezeigt einen Zwischenraum 32, der eine tiefere Schweißnaht ermöglicht.
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Die gangradabgewandte Stirnfläche 30 dieser Kupplungsscheibe bleibt während des gesamten Bearbeitungsprozesses eine im Wesentlichen ebene Fläche.
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Bei der in den 7 bis 9 dargestellten Ausführungsform wird im Herstellungsverfahren zunächst der in 7 dargestellte Rohling gefertigt.
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Vor dem Härten weist der Rohling bereits die Außenverzahnung 12 mit der Anspitzung 14 sowie die Abstützvorsprünge 28 auf. Außerdem ist eine vorläufige Verdickung entlang des Umfangs der zentralen Öffnung 16 ausgebildet. Diese Verdickung erstreckt sich in Axialrichtung A sowohl über die gangradseitige Stirnfläche 24 als auch in einem Abschnitt 22‘ über die gangradabgewandte Stirnfläche 30 hinaus. Die Ausdehnung in Axialrichtung A über die gangradseitige Stirnfläche 24 hinaus ist jedoch größer gewählt, etwa doppelt so groß in diesem Beispiel, als die Ausdehnung über die gangradabgewandte Stirnfläche 30. Die vorläufige Verdickung kann insbesondere durch Stauchen gebildet sein.
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Im folgenden Härteprozess wird die Form dieses Rohlings nicht geändert, wie dies in 8 dargestellt ist.
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Nach dem Härten wird die Verdickung 22‘ auf der gangradabgewandten Stirnfläche 30 vollständig abgetragen, beispielsweise abgedreht. Ebenso erfolgt ein gleichmäßiger Materialabtrag um die Strecke ∆d am Innenrand 34 der Öffnung 16. Auf diese Weise entsteht am gangradabgewandten Rand der Öffnung 16 ein planer ungehärteter Bereich, der zum Verschweißen mit dem Gangrad 18 genutzt werden kann (9).
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10 zeigt eine Variante des Rohlings aus 7 bzw. 8. Bei dieser Variante sind keine Abstützvorsprünge 28 vorgesehen. Es ist auch möglich, die gangradseitige Verdickung 22 wegzulassen und lediglich die Verdickung auf der gangradabgewandten Stirnfläche 30 vorzusehen, die nach dem Härten zur Freilegung einer Schweißoberfläche abgetragen wird.
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In der fertigen Kupplungsscheibe 10 ist die gangradabgewandte Stirnfläche 30 hier im Wesentlichen eben ausgebildet.
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Sämtliche Merkmale und Varianten, die in den einzelnen Ausführungsformen beschrieben wurden, lassen sich durch den Fachmann nach Belieben miteinander kombinieren oder gegeneinander austauschen.
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Zu betonen ist, dass natürlich auch auf der gangradseitigen Stirnfläche 24 nach dem Härten die Stirnseiten der Vorsprünge 28 und der Verdickung 22 gemeinsam bearbeitet werden können, um diese in einer Ebene zu haben.
