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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus mehreren Einzelkomponenten bestehenden stirnverzahnten Zahnrads.
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Ein grundsätzliches Ziel der Getriebekonstruktion besteht darin, eine höchstmögliche Drehmomentübertragung bei gewünschter Drehzahl zu erreichen. Hierbei müssen zum einen die anwendungsbedingten Sicherheiten der einzelnen Getriebebauteile erreicht werden. Zum anderen muss sich die Konstruktion wirtschaftlich herstellen lassen. Die Schlüsselbauteile sind hierbei u.a. die verzahnten Komponenten wie Hohlräder, Planetenräder, Sonnenräder, Ritzelwellen und Stirnräder, wobei letztere aufgrund ihres Durchmessers und Gewichtes im höchsten Maße im Rahmen ihrer Verzahnung ausgereizt werden. Zu diesem Zweck ist es unter allen Umständen erforderlich, die Stirnräder aus einem hochwertigen Verzahnungsstahl mit geringer Fehlerwahrscheinlichkeit und hoher Reinheit herzustellen. Darüber hinaus müssen sie mit höchstmöglicher Präzision gefertigt werden.
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Zur Erzielung der erforderlichen Flanken- und Fußfestigkeit ist es in den meisten Fällen erforderlich, zumindest den verzahnten Bereich eines Zahnrades zu härten. Eine maximale Flanken- und Fußfestigkeit der Zähne wird durch das sogenannte Einsatzhärten erzielt, das die Bearbeitungsschritte Aufkohlen, Härten und Anlassen umfasst. Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist nur mit einem solchen Einsatzhärten die höchste spezifische Leistungsdichte und Sicherheit zu erreichen, wie sie insbesondere bei hochbelasteten, unter Umständen langsam laufenden Großgetriebezahnrädern gefordert sein kann.
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Es ist bekannt, kleinere Zahnräder sowie Großgetriebezahnräder, also Zahnräder mit Außendurchmessern von 600 mm und mehr, aus einem einteiligen Rohling herzustellen. Der fertigungstechnische Ablauf solcher Zahnräder gliedert sich in drei Hauptbearbeitungsphasen und eine sich anschließende Qualitätsprüfung. Die Bearbeitungsphasen sind die Weichbearbeitung, die Härterei und die Hartbearbeitung. Diese werden wiederum in jeweilige Unterbearbeitungsschritte unterteilt.
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Bei der Weichbearbeitung erfolgt im Falle von Stangenmaterial in einem ersten Schritt zunächst ein Ablängen des Rohbauteils. Anschließend wird das Rohbauteil vorgedreht und gebohrt, so dass es eine ringförmige Ausbildung erhält.
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Im Falle von vorgeschmiedeten Lochscheiben, die insbesondere bei größeren Durchmessern wirtschaftlich sinnvoll sind, erfolgt ebenfalls zuerst das Vordrehen und Bohren. Hier stellt es sich derart dar, dass die Materialeinsparung durch die vorgefertigte Mittelbohrung bereits wirtschaftlich vertretbar ist.
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Im Anschluss wird bei beiden möglichen Rohteilausführungen die Verzahnung hergestellt, beispielsweise mittels Zahnfräsen oder dergleichen. Abschließend erfolgt dann ein Entgraten der Verzahnung.
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In der Härterei werden im Falle des Einsatzhärtens in einem ersten Schritt nicht verzahnte Bereiche des Bauteils abgedeckt. Daraufhin erfolgt das Aufkohlen des Bauteils, bei dem die Bauteilerandschicht mit Kohlenstoff angereichert wird. Anschließend wird das Bauteil gehärtet, beispielsweise durch Abschrecken des Bauteils in einem flüssigen oder gasförmigen Abschreckmedium, wodurch ein Bauteil mit hoher Oberflächenhärte und Härte erzielt wird. In einem weiteren Schritt erfolgt das Anlassen des Bauteils, wobei die Härte wieder etwas reduziert wird, aber auch ungünstige Eigenspannungen weitgehend reduziert werden. Der Bauteilkern hingegen bleibt in einem zähvergüteten Zustand. Beim Einsatzhärten ist darauf zu achten, dass sämtliche Bauteilflächen, die während des Härtens des Bauteils abgedeckt werden müssen, zugänglich sein sollten. Abgedeckt werden alle Flächen, die später weiterbearbeitet werden sollen, wie beispielsweise Wellensitze, Nuten, Kurzverzahnungen, Bohrungen oder Gewinde, wenn sie nicht schon implementiert sind. Die Chargierung im Härtereiofen erfolgt unter Berücksichtigung der Wärmeübergänge und der Verzüge durch das Eigengewicht der Bauteile. Für das Abschrecken sind ebenfalls Vorgaben zu berücksichtigen. Das Abschreckmittel sollte ungehindert das Bauteil umströmen können, weshalb Hinterschneidungen und Hohlräume zu vermeiden sind. Unter Umständen sind Hinterschneidungen und vor allem Hohlräume mit Durchströmungsbohrungen zu versehen, die jedoch zu einer ungleichmäßigen Abschreckung führen, auch wenn der Einschluss von Luft dadurch vermieden wird.
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In einem sich anschließenden Schritt wird das Bauteil normalerweise mittels Reinigungsstrahlen gereinigt. Das Reinigungsstrahlen ist darauf angewiesen, die betreffenden Flächen direkt erreichen zu können. Hohlräume können entsprechend nicht gereinigt werden. Das Granulat sollte aus den Bauteilhohlräumen entfernt werden können.
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Bei der sich anschließenden Hartbearbeitung erfolgt eine mechanische Bearbeitung des Bauteils im gehärteten Zustand. So kann das Bauteil in einem ersten Schritt hartgedreht und im Anschluss genutet werden. Daraufhin erfolgt eine Schleifbearbeitung der Verzahnung.
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Zur Durchführung von Dreh-, Fräs- und Schleifbearbeitungen im Rahmen der Weich- und Hartbearbeitung muss das Bauteil in der entsprechenden Maschine aufgenommen werden. Hierzu werden Spannplatten, Spanndorne oder Spreizdorne verwendet. Weiterhin besteht die Möglichkeit der Verwendung von Nullspannplatten. Während einer Innenbearbeitung wird über die Außenflächen gespannt, wobei vor einem Umspannen allgemeine Richtflächen auf die Kopfkreisfläche angebracht werden. Die Seitenflächen haben eine Vorzugsseite zum Spannen. Grundsätzlich sind die Vorgaben der Spannflächen und Spannmittel, der Werkzeugausläufe und Werkzeugradien zu berücksichtigen. Bei der Toleranzvergabe ist zu beachten, ob die Bearbeitung innerhalb einer Aufspannung oder innerhalb mehrerer Aufspannungen erfolgen muss.
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Nach der Durchführung der Hartbearbeitung wird das so hergestellte Bauteil geprüft, gemessen und entgratet.
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Im Rahmen der Qualitätsprüfung werden in Abhängigkeit der zu prüfenden Parameter unterschiedliche Verfahren eingesetzt. So kann ein Zahnrad beispielsweise einer Rissprüfung, einer Oberflächenhärteprüfung, einer Schleifbrandprüfung oder dergleichen unterzogen werden.
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Die Schleifbrandprüfung dient dazu, das hartbearbeitete Bauteil auf Beschädigungen zu überprüfen, die durch das Schleifen der gehärteten Verzahnung erzeugt wurden. Beim Schleifen kann es im Falle einer ungünstigen Prozessführung zur örtlichen Überhitzung der Schleifbereiche kommen, wodurch Neuhärtezonen oder Anlassvorgänge hervorgerufen werden, die zu späteren Ausfällen des Zahnrads führen können. Eine der gängigsten Schleifbrandprüfungen wird unter Einsatz des Nitalätzverfahrens durchgeführt. Bei einer solchen Nitalätzung wird das Zahnrad vollständig in ein Salpetersäurebad eingetaucht, was zur oberflächlichen Ablösung bzw. zur Ätzung der Gefügestruktur führt. Dieser Säureangriff erfolgt abhängig von der Kornorientierung und der Mikrostruktur des Gefüges unterschiedlich stark, wodurch bei geeigneter Prozessführung mit dem Auge erkennbare Schattierungen des Gefüges sichtbar werden, die sich bei Neuhärtung oder Reduktion der Einsatzhärte im Unterschied zur ordnungsgemäß gehärteten Struktur abzeichnen. Die Säure muss nach dem Nitalätzen wieder von dem Bauteil entfernt werden, um nachteiligen Effekten entgegenzuwirken, wie beispielsweise einer Schädigung des Bauteils durch wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion, einer Verschmutzung des Getriebeöls durch Korrosionsprodukte oder durch schwer lösliche Salze oder gar durch eine Säureverschleppung in die Reinigungsbäder aufgrund mangelnden Abtropfens etc., um nur einige Beispiele zu nennen.
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Ein Nachteil der einteiligen Ausbildung von Zahnrädern besteht mit zunehmendem Außendurchmesser der Zahnräder darin, dass diese hinsichtlich des Materialbedarfs und des Fertigungsgewichts extrem ungünstig sind. Als Lösung des Gewichtsproblems ist es bekannt, Großzahnräder eingesickt auszugestalten. Mit anderen Worten wird im Rahmen einer Drehbearbeitung von den Radseitenflächen Material entfernt. Hierdurch werden die Fertigungskosten jedoch nachteilig beeinflusst, da für das Einsicken weitere Zerspanungsleistungen nötig sind und dieses Material im Rohteilankauf bereits Kosten verursacht hat.
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Ein weiteres Problem tritt mit zunehmendem Außendurchmesser des Zahnrades beim Einsatzhärten auf. Bei diesem Prozess wird viel Energie in das Bauteil eingebracht, was beim Abschreckprozess zu einem massiven Bauteilverzug führen kann. Dieser Bauteilverzug ist sowohl vorab durch aufwendige konstruktive Maßnahmen als auch nachträglich durch entsprechenden Materialabtrag zu kompensieren. Zur Verbesserung der Härtbarkeit bzw. des Abschreckprozesses ist es beispielsweise bekannt, Bohrlöcher in das Bauteil einzubringen, die gewährleisten sollen, dass das Bauteil gleichmäßiger von dem Abschreckmedium umspült wird, um einen besseren Temperaturverlauf des Bauteils während seiner Abkühlung und damit einen verminderten Verzug zu erzielen. Für einen nachträglichen Materialabtrag muss das Bauteil mit entsprechenden Aufmaßen ausgelegt werden, so dass der nachträgliche Materialabtrag auf die Soll-Abmessungen erfolgen kann. Der nachträgliche Materialabtrag muss allerdings im gehärteten Zustand des Bauteils erfolgen, was mit erheblichen Kosten verbunden und entsprechend unwirtschaftlich ist.
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Trotz dieser teuren und aufwendigen Gegenmaßnahmen ist der Bauteilverzug in der Praxis jedoch nur schwer in enge Bereiche und kontrolliert einzuschränken. Im Ergebnis sind insbesondere einteilig ausgebildete Großzahnräder, die in der zuvor beschriebenen Weise hergestellt werden, ein wirtschaftlicher Kompromiss aus Materialkosten und Fertigungskosten und in der Summe nur bedingt wirtschaftlich.
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Als Alternative zu einteilig ausgebildeten Zahnrädern der zuvor beschriebenen Art sind hybride Zahnräder bekannt, die aus mehreren Komponenten zusammengesetzt sind, und zwar zumindest aus einer Nabe, einem an der Nabe angeordneten Radkörper und einem am Außenumfang des Radkörpers angeordneten Zahnkranz. Solche hybriden Zahnräder müssen vergleichbar in ihrem Leistungsumsatz bei gleicher Sicherheit sein. Sie müssen wirtschaftlich herstellbar sein und eine ebenso hochwertige Produktionsquote aufweisen, wie es die heutigen einteilig ausgebildeten und einsatzgehärteten Zahnräder ermöglichen.
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Im Stand der Technik sind bereits verschiedenste Ausführungsformen solcher hybrider Zahnräder bekannt, die sich in erster Linie durch die Art unterscheiden, wie die Einzelkomponenten aneinander befestigt sind, sowie durch die Ausbildung der Einzelkomponenten.
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Die Befestigung der Einzelkomponenten aneinander kann mechanisch erfolgen, so kann der Zahnkranz beispielsweise mit dem Radkörper verschraubt sein. Alternativ ist auch ein Aufschrumpfen des Zahnkranzes auf den Radkörper bekannt, wobei der Zahnkranz gegenüber dem Radkörper häufig durch entsprechende Formschlusssicherungen gegen eine Relativbewegung gesichert ist.
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Alternativ können die Einzelkomponenten auch stoffschlüssig mittels Schweißen miteinander verbunden werden. Geschweißte Zahnräder müssen neben der Verzahnungssicherheit zusätzlich bezüglich ihrer Schnittstelleneigenschaften ausgelegt werden. Die Fügeschnittstellen setzen sich aus den Bauteilkombinationen Zahnkranz und Radkörper (sogenannte Bandage), Radkörper und Nabe sowie Nabe und Welle zusammen. Diese Fügestellen müssen in die Auslegungsberechnungen und Fertigungsplanung mit einbezogen werden. Ferner sind ihr fertigungstechnischer Aufwand und ihre Rückwirkung auf die Bauteilfunktion zu berücksichtigen.
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Ein bekannter Fertigungsablauf für hybride Großgetriebezahnräder besteht beispielsweise in der Bereitstellung der Rohteile, dem Vordrehen, dem Schweißen, dem Verzahnen, ggf. einem Induktionshärten, dem Verzahnungsschleifen und der sich anschließenden Qualitätssicherung.
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Die Schweißarbeiten werden bei Großgetriebezahnrädern bislang ausnahmslos mittels MSG-Schweißen (Metallschutzgasschweißen), Elektrodenschweißen oder Unterpulverschweißen gefertigt – alles Verfahren mit abschmelzender Elektrode und im Vergleich hoher Streckenenergie und daher starker Auswirkung auf die metallurgischen Eigenschaften der Verbindung und des Grundwerkstoffes. Der Schweißprozess als solcher induziert allerdings große Eigenspannungen in die Stahlbaustruktur. Vor diesem Hintergrund ist es für den Fachmann heute üblich, im Anschluss an die Schweißbearbeitung zum Spannungsabbau ein Spannungsarmglühen durchzuführen, um zu verhindern, dass weitere Fertigungsschritte diese Spannungen eventuell in Verformung freisetzen würden, wie beispielsweise beim Eindrehen von Sicken, bei einer asymmetrischen Wanddickenreduzierung oder dergleichen. Diese fertigungsbegleitenden Verformungen sind bekannt und führen zu Verwerfungen der geschweißten Struktur. Entsprechend ist eine hochpräzise Maßbearbeitung eines geschweißten Großgetriebezahnrads nur nach der Durchführung eines Spannungsarmglühens möglich.
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Das Härten des geschweißten Bauteils erfolgt zumindest bei Großgetriebezahnrädern mittels Induktionshärten. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass lediglich lokal eine verhältnismäßig geringe Wärmeenergie in das Bauteil eingebracht wird, wodurch ein starker Bauteilverzug verhindert wird.
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Ein Einsatzhärten des geschweißten Bauteils, wie es bei den einteilig ausgebildeten Großgetriebezahnrädern zum Einsatz kommt, wird bei hybriden Großgetriebezahnrädern aufgrund der hohen, durch den Schweißprozess mit abschmelzender Elektrode eingebrachten Eigenspannungen nicht angewendet. Bei Großgetriebezahnrädern führen bereits geringe Abweichungen abmaßbedingt zu größeren Formabweichungen. Der Verzug aufgrund des Schweiß-Eigenspannungsabbaus und der Härteverzug werden kumulativ so groß, dass eine aufwändige mechanische Bearbeitung im gehärteten Zustand des Bauteils erforderlich wäre. Dies ist jedoch unerwünscht, da es erhebliche Kosten verursacht. Entsprechend ist der Zahnkranz bei bekannten Großgetriebezahnrädern stets aus Vergütungsstahl gefertigt.
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Bei kleinen Zahnrädern führen durch einen Bauteilverzug entstehende Abweichungen abmaßbedingt hingegen zu geringeren Formabweichungen als bei Großgetriebezahnrädern, weshalb die vorab für hybride Großgetriebezahnräder geschilderte Problematik des durch das Schweißen und Härten in das Bauteil eingebrachten Verzugs hier nur eine untergeordnete Rolle spielt, insbesondere wenn dabei noch geringwertigere Verzahnungsgüten aufgrund eines Einsatzes im Rahmen der Zeitfestigkeit gefordert ist. Dies ist bei mobilen Getriebeanwendungen der Fall, wie beispielsweise bei Kraft- und Nutzfahrzeugen.
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Zur Fertigung von hybriden Kleinzahnrädern ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem zunächst die Rohteile bereitgestellt werden, woraufhin ein Vordrehen der entsprechenden Bauteile erfolgt. Anschließend schließt sich ein Einsatzhärten an, woraufhin die Zähne ggf. geschliffen werden. In einem weiteren Schritt werden die Einzelbauteile mittels Elektronenstrahlschweißen im gehärteten Zustand miteinander verbunden. Das Elektronenstrahlschweißen wird bei diesem Verfahren also an einsatzgehärten Kleinverzahnungen angewendet, genauer gesagt an fertig gehärteten und nach Bedarf geschliffenen Verzahnungen. Das Elektronenstrahlschweißen, das auch für die Serienfertigung geeignet ist, gilt als im Vergleich sehr verzugsarm und ermöglicht diese Fertigungsreihenfolge bei kleinen Zahnrädern.
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Ein Nachteil derzeit erhältlicher hybrider Zahnräder gegenüber einteilig ausgebildeten Zahnrädern besteht darin, dass eine Schleifbrandprüfung mittels Nitalätzung nicht problemlos durchführbar ist. Nach dem Eintauchen in das Ätzbad muss die Säure, wie es zuvor bereits beschrieben wurde, von dem Bauteil entfernt werden, um einem weiteren Angriff auf das Metall zu begegnen. Ein solches Entfernen der Säure stellt bei einteilig ausgebildeten Zahnrädern kein Problem dar. Bei hybriden Zahnrädern kann die ordnungsgemäße Säureentfernung hingegen durch zwischen den einzelnen Zahnradkomponenten nach dem Schweißen verbliebene Spalte erschwert oder gar verhindert werden, weshalb den geschilderten Nachteilen, die mit auf dem Bauteil verbleibender Säure einhergehen, kaum oder gar nicht begegnet werden kann.
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Ein weiterer Nachteil bei heute erhältlichen hybriden Großgetriebezahnrädern, also Zahnrädern mit einem Außendurchmesser von 600 mm oder mehr, besteht gegenüber einteilig ausgebildeten Großzahnrädern darin, dass sie nur für geringwertige Flächenbelastungen einsetzbar sind, da die vergüteten Zahnkränze eine geringere Tragfähigkeit als einsatzgehärtete Zahnkränze aufweisen. Während die Flankenfestigkeit bei hybriden Großgetriebezahnrädern im Bereich von etwa 600–800 N/mm2 liegt, verfügen einteilig ausgebildete und einsatzgehärtete Großgetriebezahnräder über eine Flankenfestigkeit von etwa 1.500 N/mm2, bei Carbonitrierung bis zu 1.700 N/mm2. Noch ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die bislang bei der Fertigung hybrider Großgetriebezahnräder eingesetzten Schweißverfahren mit abschmelzender Elektrode einen stark manuellen und gleichzeitig extrem zeitintensiven Charakter aufweisen, weshalb sie nur in der kleinen Serienfertigung wirtschaftlich einsetzbar sind. Eine Prozessdatenerfassung während der Serienfertigung ist heute dabei nicht Stand der Technik und nur mittels nachträglicher Qualitätskontrollen dokumentierbar.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung, insbesondere zur seriellen Herstellung eines stirnverzahnten Zahnrads zu schaffen, mit dem ein Zahnrad mit geringem Eigengewicht hergestellt werden kann, das für höchste Belastungen ausgelegt werden kann, selbst wenn es sich um ein Großgetriebe-Zahnrad handelt, und das sich im Rahmen einer Nitalätzung problemlos auf Schleifbrand überprüfen lässt, ohne dass infolge der Schleifbrandprüfung Beschädigungen des Zahnrades zu befürchten sind.
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Zur Lösung zumindest von Teilaspekten dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines aus mehreren Einzelkomponenten bestehenden stirnverzahnten Zahnrads, das die Schritte aufweist:
- a) Bereitstellen der Einzelkomponenten, die zumindest eine Nabe, ein Scheibenrad und einen Zahnkranz umfassen,
- b) zumindest teilweises mechanisches Weichbearbeiten der Einzelkomponenten,
- c) Verbinden der Einzelkomponenten unter Verwendung eines Schweißverfahrens,
- d) Härten zumindest des Zahnkranzes,
- e) Hartbearbeiten zumindest des Zahnkranzes und
- f) Durchführen einer Schleifbrandprüfung unter Einsatz des Nitalätzverfahrens,
wobei vor der Durchführung des Schrittes f) ein Abdichten von rückseitig im Bereich der in Schritt c) hergestellten Schweißnähte vorhandenen Spalten unter Verwendung eines salpetersäurefesten Dichtmaterials erfolgt.
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Ein wesentlicher Vorteil, der damit einhergeht, dass das Zahnrad gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aus mehreren Einzelkomponenten hergestellt wird, besteht darin, dass sich gegenüber einem einteilig hergestellten Zahnrad das Eigengewicht des Zahnrades ohne überflüssigen Materialverlust reduzieren lässt. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass Dank des Abdichtens der rückseitig im Bereich der Schweißnähte vorhandene Spalte, die beim einseitigen Verbindungsschweißen der Einzelkomponenten verbleiben, unter Verwendung eines salpetersäurefesten Dichtmaterials bei der Schleifbrandprüfung keine Salpetersäure in die Spalte eindringen kann. Entsprechend lässt sich die Salpetersäure nach der Durchführung der Schleifbrandprüfung problemlos abspülen und/oder neutralisieren, ohne dass eine unerwünschte Beschädigung des Zahnrades durch den Verbleib von Säure zu befürchten ist. Auch eine Verschleppung von Salpetersäure in die Reinigungsbäder wird vermieden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird in Schritt c) zum Verbinden der Einzelkomponenten ein Strahlschweißverfahren eingesetzt. Ein solches Strahlschweißverfahren hat gegenüber Schweißverfahren mit abschmelzender Elektrode den Vorteil, dass während des Schweißens nur in geringem Maße Eigenspannungen in das Bauteil eingebracht werden, was insbesondere bei der Herstellung von Großgetriebezahnrädern von großem Vorteil ist. Bei dem Strahlschweißverfahren kann es sich beispielsweise um ein Elektronenstrahlschweißverfahren oder um ein Laserstrahlschweißverfahren handeln, wobei letzteres bevorzugt im Vakuum bzw. Teilvakuum durchgeführt wird.
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Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Spalte durch erneutes Schweißen von der Rückseite abgedichtet, wobei auch das erneute Schweißen bevorzugt mit einem Strahlschweißverfahren der zuvor genannten Art durchgeführt wird. Mit anderen Worten wird jeder Verbindungsbereich zwischen zwei zu fügenden Einzelkomponenten des Zahnrades zweifach geschweißt – einmal von vorne und einmal von hinten.
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Gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vor der Durchführung des Schweißens in Schritt c) in die abzudichtenden Spalte Dichtmaterialringe eingesetzt, wobei die Dichtmaterialringe während des Verbindens der Einzelkomponenten in Schritt c) durch die Schweißwärme zumindest angeschmolzen werden, wodurch die Abdichtung der Spalte erfolgt. In Abhängigkeit von der Entfernung des abzudichtenden Spaltes von der Schweißstelle und damit abhängig von der während des Schweißens im abzudichtenden Spalt erzielbaren Temperatur kann es sich bei dem Dichtmaterial um Weichlot oder um Hartlot handeln. Das Dichtmaterial sollte dabei derart gewählt werden, dass dessen Liquidustemperatur während des Härtens in Schritt d) nicht überschritten wird, um ein erneutes Aufschmelzen des Dichtmaterials zu verhindern. Die Abdichtung der rückseitig im Bereich der Schweißnähte vorhandenen Spalte gemäß der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens hat den Vorteil, dass das Verbindungsschweißen gemäß Schritt c) und das Abdichten der rückseitig im Bereich der in Schritt c) hergestellten Schweißnähte zeitgleich unter Verwendung ein und derselben Wärmequelle durchgeführt werden können.
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Gemäß einer dritten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vor dem Verbindungsschweißens in Schritt c) in die abzudichtenden Spalte Dichtmaterialringe eingesetzt, wobei die Dichtmaterialringe während des Härtens in Schritt d) durch die den Komponenten in einem Ofen zugeführte Wärme zumindest angeschmolzen werden, wodurch die Abdichtung der Spalte erfolgt. Mit anderen Worten werden das Verbindungsschweißen gemäß Schritt c) und das Abdichten der rückseitig im Bereich der in Schritt c) hergestellten Schweißnähte vorhandenen Spalte getrennt voneinander durchgeführt, wobei für das Abdichten die Prozesswärme des Härtens in Schritt d) genutzt wird. In Abhängigkeit von der Temperatur des Härteofens kann als Dichtmaterial ein Weichlot oder ein Hartlot gewählt werden.
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Die zuvor beschriebene zweite und dritte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt, wenn die Einzelkomponenten zwei Scheibenräder aufweisen, die axial im Abstand voneinander angeordnet werden, da die jeweils zueinander weisenden Seiten der Scheibenräder nach deren Montage für ein rückseitiges erneutes Schweißen zum Abdichten der besagten Spalte nicht mehr zugänglich sind. Ein rückseitiges erneutes Schweißen ist entsprechend nicht möglich. Das Vorsehen von zwei Scheibenrädern ist insbesondere zur Erzielung einer höheren Steifigkeit des Zahnrades von Vorteil.
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Bevorzugt werden die Scheibenräder mittels Rohrsteifen miteinander verbunden, wodurch eine zusätzliche Aussteifung des Zahnrades erzielt wird.
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Vorteilhaft werden beide Scheibenräder bezogen auf den Zahnkranz von einer Seite montiert und in Schritt b) von der gleichen Seite weichbearbeitet, was in einer Aufspannung durchgeführt werden kann. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die beiden Scheibenräder in ihrem Sitz im Zahnkranz zueinander fluchten. Ein Umspannen mit Beidseitenbearbeitung würde dies erschweren. Entsprechend kann auf ein Umspannen des Werkstücks während der Fertigung vorteilhaft verzichtet werden, wodurch der Verfahrensablauf einfacher und preisgünstiger gestaltet wird. Das Schweißen der beiden Scheibenräder gemäß Schritt c) erfolgt dann von beiden Seiten des Zahnrades.
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Gemäß einer vierten Variante der vorliegenden Erfindung wird das Abdichten der Spalte nach dem Härten gemäß Schritt d) durchgeführt, wobei zum Abdichten eine organische, metallische oder anorganische Matrix als Dichtmaterial verwendet wird. Hier können die zum Beispiel im Karosseriebau von Fahrzeugen oder im Bereich der weißen Ware üblichen Nahtabdichtmaterialien verwendet werden, wie beispielsweise Silikone, MS-Polymere, Polyurethane, Kautschuke, Butylene, Bitumen, Acrylate oder auch Metalllone und organische Vergussmassen.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Zahnkranz aus einem Einsatzstahl hergestellt, wobei das Härten in Schritt d) mittels Einsatzhärten erfolgt. Durch das Einsatzhärten kann ein Zahnrad mit höchster Flankenfestigkeit bereitgestellt werden, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Zahnräder auch höchsten Belastungen standhalten können.
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Bevorzugt werden die Schritte a) bis f) in der genannten Reihenfolge durchgeführt. Diese Reihenfolge ist bei der Herstellung eines Großgetriebezahnrades insbesondere dann von Vorteil, wenn das Verbinden in Schritt c) unter Verwendung eines Strahlschweißverfahrens durchgeführt wird und beim Härten in Schritt d) das Einsatzhärten verwendet wird. Überraschend hat sich herausgestellt, dass mit der Kombination eines Strahlschweißverfahrens und eines Einsatzhärtens nur ein geringer Bauteilverzug einhergeht, der mit geringem Aufwand im Rahmen des abschließenden Hartbearbeitungsschrittes kompensiert werden kann, ohne dass hierfür ein großes Aufmaß belassen werden muss. Die Anmelderin geht davon aus, dass die Eigenspannungen, die durch das Strahlschweißverfahren in das Bauteil eingebracht werden, derart gering sind, dass sie während des Einsatzhärtens vollständig abgebaut werden. Entsprechend verbleibt lediglich der mit dem Einsatzhärten einhergehende Bauteilverzug, der mit dem entsprechenden Verzug bei der Herstellung einteilig ausgebildeter Großgetriebezahnräder mindestens vergleichbar und entsprechend beherrschbar ist. Dieser Verzug kann weiterhin erfindungsgemäß mittels der deutlich flexibleren Gestaltung der Radkörperkonstruktion derart modifiziert werden, dass es zu geringen Verzügen kommt.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen im Rahmen der in Schritt e) durchgeführten Hartbearbeitung ein Hartdrehen und Verzahnungsschleifen. Auf diese Weise kann eine Verzahnung höchster Qualität hergestellt werden.
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Vorteilhaft wird das Scheibenrad mit zumindest einer außermittig angeordneten Aussparung versehen, insbesondere mit mehreren außermittig angeordneten Aussparungen. Derartige Aussparungen sorgen allgemein für Dampfaustritt, Durchspülfähigkeit und Reinigungsfähigkeit und im Falle eines Einsatzhärtens für eine gute Durchdringung der Aufkohlgase und des Abschreckmediums.
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Vorzugsweise wird das Scheibenrad asymmetrisch ausgebildet, um insbesondere die Steifigkeit eines Großgetriebezahnrades an anwendungsspezifische Belastungen anzupassen.
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Gemäß einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch asymmetrische Ausbildung der Dicke des Zahnkranzes die Steifigkeit des Großgetriebezahnrades eingestellt, wodurch ein gleichmäßiges Tragverhalten über einen breiten Lastbereich erzielbar ist. Durch lokale Verringerung der Zahnkranzdicke in den Randbereichen können insbesondere Eckträger vermieden werden.
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Bevorzugt wird gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in Schweißrichtung betrachtet, das hintere Ende zumindest einer Schweißfügestelle durch einen radial vorstehenden Vorsprung gebildet, der Teil einer der miteinander zu verschweißenden Komponenten ist. Ein solcher Vorsprung am Ende einer Schweißfügestelle dient als Schweißbadabstützung und vereinfacht die Durchführung des Schweißverfahrens.
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Vorteilhaft umfasst der Zahnkranz einen Verbindungsabschnitt mit einer Verbindungsfläche, entlang welcher der Zahnkranz in Schritt c) mit dem Scheibenrad verschweißt wird, und einen Zahnkranzabschnitt, an dem die Verzahnung ausgebildet wird, wobei zwischen dem Verbindungsabschnitt und dem Zahnkranzabschnitt zumindest ein Übergangsradius vorgesehen ist, der in einem Abstand (a) zu der in Schritt c) zu erzeugenden, den Zahnkranz und das Scheibenrad miteinander verbindenden Schweißnaht angeordnet ist. Der Abstand zwischen den Übergangsradien und der Schweißnaht dient zur Entkopplung der durch die Schweißnaht erzeugten Kerbwirkung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
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1 eine schematische Seitenansicht eines Zahnrads gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Querschnittansicht des Zahnrads gemäß der ersten Ausführungsform entlang der Linie II-II in 1;
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3 eine schematische vergrößerte Ansicht des in 2 mit dem Bezugszeichen III gekennzeichneten Bereiches, der einen geschweißten Übergang zwischen einem Scheibenrad und einem Zahnkranz des Zahnrads zeigt, wobei ein rückseitig im Bereich der Schweißnaht vorhandener Spalt gemäß einer ersten Variante der vorliegenden Erfindung abgedichtet ist;
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4 eine schematische vergrößerte Ansicht des in 2 mit dem Bezugszeichen III gekennzeichneten Bereiches, der einen Übergang zwischen einem Scheibenrad und einem Zahnkranz des Zahnrads zeigt, wobei ein rückseitig im Bereich der Schweißnaht vorhandener Spalt gemäß alternativer Varianten der vorliegenden Erfindung abgedichtet ist;
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5 eine schematische Seitenansicht eines Zahnrads gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 eine schematische Querschnittansicht des Zahnrads gemäß der zweiten Ausführungsform entlang der Linie VI-VI in 5;
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7 eine schematische vergrößerte Ansicht des in 6 mit dem Bezugszeichen VII gekennzeichneten Bereiches, der einen Übergang zwischen einem Scheibenrad und einem Zahnkranz des Zahnrads zeigt;
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8 eine Prinzipskizze, die das Zahnprofil einer Schrägverzahnung eines Zahnkranzes zeigt;
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9 eine schematische vergrößerte Querschnittansicht eines Übergangs zwischen einem Scheibenrad und einem Zahnkranz eines Zahnrads gemäß einer dritten Ausführungsform eines Zahnrads gemäß der vorliegenden Erfindung;
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10 ein Diagramm, das den Steifigkeitsverlauf des in 9 dargestellten Zahnkranzes über die Zahnkranzbreite zeigt;
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11 eine schematische Querschnittansicht eines Zahnrads gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der Zahnkranz und Scheibenrad radial miteinander verschweißt sind; und
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12 eine schematische Seitenansicht eines Zahnrads gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die 1 und 2 zeigen ein Großgetriebezahnrad 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das einen Außendurchmesser von 600 mm oder mehr aufweist. Bei dem Großgetriebezahnrad 1 handelt es sich um ein hybrides Zahnrad, das aus mehreren Einzelkomponenten hergestellt ist, und zwar aus einer im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Nabe 2, einem Scheibenrad 3 und einem einsatzgehärteten Zahnkranz 4, die an den mit den Pfeilen A gekennzeichneten Positionen miteinander verschweißt sind.
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Das zumindest eine Scheibenrad 3 ist mit außermittig angeordneten Aussparungen 5 versehen. Die Aussparungen 5 weisen jeweils unterschiedliche Formen auf und sind asymmetrisch verteilt an dem zumindest einen Scheibenrad 3 angeordnet, wie es in 1 dargestellt ist.
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Das Großgetriebezahnrad 1 wird wie folgt hergestellt. In einem ersten Schritt werden die Einzelkomponenten bereitgestellt, also die Nabe 2, das Scheibenrad 3 und der Zahnkranz 4. In einem weiteren Schritt erfolgt eine mechanische Weichbearbeitung der Einzelkomponenten. Hierbei wird die Nabe 2 einer Drehbearbeitung unterzogen. Danach wird der Zahnkranz 4 mit seiner Verzahnung versehen, was beispielsweise im Rahmen einer Wälzfräsbearbeitung erfolgen kann. Im Anschluss wird das Scheibenrad 3 zwischen Nabe 2 und Zahnkranz 4 eingelegt bzw. eingepresst. Hier sollte eine leichte Pressung des Scheibenrads 3 verwendet werden. In einem weiteren Schritt werden die Einzelkomponenten dann an den mit den Pfeilen A gekennzeichneten Positionen unter Verwendung eines Strahlschweißverfahrens miteinander verbunden, wobei es sich bei dem Strahlschweißverfahren bevorzugt um ein Elektronenstrahlschweißverfahren handelt. Alternativ kann auch ein Laserstrahlschweißen unter Vakuum oder Teilvakuum verwendet werden.
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Im Anschluss wird das Großgetriebezahnrad 1 im verschweißten Zustand einsatzgehärtet, wodurch der Zahnkranz 4 eine Flankenfestigkeit von 1.250 N/mm2, vorzugsweise 1.500 N/mm2 oder mehr erhält. Daraufhin schließt sich eine Hartbearbeitung an, im Rahmen derer zumindest der Zahnkranz geschliffen wird. Zudem kann aber auch eine Hartbearbeitung der Nabe 2 und/oder des Scheibenrads 3 folgen, beispielsweise im Rahmen einer Hartdrehbearbeitung.
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Im Anschluss an die Hartdrehbearbeitung wird eine Schleifbrandprüfung unter Einsatz des Nitalätzverfahrens durchgeführt. Um zu verhindern, dass während der Schleifbrandprüfung Salpetersäure in rückseitig im Bereich der hergestellten Schweißnähte verbleibende Spalte 6 eindringen kann, erfolgt vor der Durchführung der Schleifbrandprüfung erfindungsgemäß ein Abdichten der besagten Spalte 6. Verschiedene Abdichtvarianten gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3 und 4 erläutert, die beispielhaft den Übergangsbereich zwischen dem Scheibenrad 3 und dem Zahnkranz 4 in vergrößerter Ansicht zeigen. Die nachfolgenden Erläuterungen sind aber ebenso auf den Übergang zwischen der Nabe 2 und dem Scheibenrad 3 übertragbar.
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Zur Herstellung der in 3 dargestellten Anordnung werden gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Variante das Scheibenrad 3 und der Zahnkranz 4 zunächst für die sich anschließende Schweißbearbeitung ordnungsgemäß zueinander positioniert. In einem weiteren Schritt werden unter Einsatz des zuvor genannten Strahlschweißverfahrens das Scheibenrad 3 und der Zahnkranz 4 von der einen Seite des Zahnrads 1 umfänglich miteinander verschweißt, was durch den Pfeil A angedeutet ist. Zur Erzielung einer inneren Schweißbadabstützung ist das Scheibenrad 3 an seinem – in Schweißrichtung (Pfeil A) betrachtet – hinteren Ende entlang seines Außenumfangs mit einem umlaufenden, radial auswärts vorstehenden Vorsprung 7 versehen, der in eine korrespondierend ausgebildete Ausnehmung greift, die umlaufend an dem hinteren Ende des Innenumfangs des Zahnkranzes 4 ausgebildet ist. In einem weiteren Schritt wird der rückseitig im Bereich der Schweißnaht vorhandene ringförmige Spalt 6 geschlossen, indem das Scheibenrad 3 und der Zahnkranz 4 von der anderen Seite des Zahnrades 1 erneut miteinander verschweißt werden, was durch den Pfeil B angedeutet ist. Auch hier wird vorteilhaft ein Strahlschweißverfahren eingesetzt, bei dem es sich bevorzugt um ein Elektronenstrahlschweißverfahren oder alternativ um ein Laserstrahlschweißverfahren unter Vakuum oder Teilvakuum handelt. Auf diese Weise wird der Spalt 6 gegen ein Eindringen von Salpetersäure während der sich anschließenden Schleifbrandprüfung abgedichtet.
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Zur Herstellung der in 4 dargestellten Anordnung wird gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Variante zunächst am Außenumfang des Vorsprungs 7 des Scheibenrads 3 ein Dichtmaterialring 8 angeordnet, der bevorzugt aus einem Hartlot gefertigt ist. Alternativ kann dieser natürlich auch entsprechend am Zahnkranz 4 positioniert werden. In einem weiteren Schritt werden das Scheibenrad 3 und der Zahnkranz 4 für die sich anschließende Schweißbearbeitung ordnungsgemäß zueinander positioniert, woraufhin das Scheibenrad 3 und der Zahnkranz 4 von der einen Seite des Zahnrads 1 miteinander verschweißt werden, wie es durch den Pfeil A angedeutet ist. Bei der zweiten Variante sind die Höhe h des Vorsprungs 7 und das Material des Dichtmaterialrings 8 derart gewählt, dass im Bereich des Dichtmaterialrings 8 durch das Verbindungsschweißen in Richtung des Pfeils A die Temperatur derart hoch ist, dass der Dichtmaterialring 8 zumindest angeschmolzen wird, wodurch der Spalt 6 abgedichtet wird. Dabei ist darauf zu achten, dass die Liquidustemperatur des Dichtmaterials derart hoch ist, dass das Dichtmaterial während der nachfolgenden Behandlung im Härtereiofen nicht erneut aufgeschmolzen wird. In vorteilhafter Weise stabilisiert der Schmelzprozess durch seinen latenten Wärmebedarf die Einschweißtiefe des Strahlschweißprozesses, wodurch eine geringere als heute übliche Badabstützung Verwendung finden kann. Dieser Effekt entspricht der Vorgabe der wirtschaftlichen Herstellung.
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Zur Herstellung der in 4 dargestellten Anordnung wird gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Variante zunächst der Dichtmaterialring 8 am Außenumfang des Vorsprungs 7 des Scheibenrads 3 bzw. am Zahnkranz 4 angeordnet. In einem weiteren Schritt werden analog zur zweiten Variante das Scheibenrad 3 und der Zahnkranz 4 ordnungsgemäß für die sich anschließende Schweißbearbeitung zueinander positioniert. Daraufhin werden das Scheibenrad 3 und der Zahnkranz 4 unter Einsatz des zuvor genannten Strahlschweißverfahrens miteinander verschweißt, was durch den Pfeil A angedeutet ist. Dabei ist der Dichtmaterialring 8 von der Schweißstelle derart weit beabstandet, dass er nicht durch die Schweißwärme angeschmolzen wird. Erst im Zuge des nachfolgenden Einsatzhärtens wird der Dichtmaterialring 8 innerhalb des Härtereiofens durch die dort vorherrschenden Temperaturen aufgeschmolzen, wodurch der Spalt 6 abgedichtet wird. Entsprechend fallen das Verbinden des Scheibenrades 3 und des Zahnkranzes 4 zeitlich mit dem Abdichten des Spaltes 6 auseinander. Als Dichtmaterial wird in diesem Fall bevorzugt ein Hartlot eingesetzt, dessen Liquidustemperatur im Bereich der im Einsatzofen vorherrschenden Temperaturen liegt. Hier und in der vorherigen Anwendung bewirkt das Abdichtmittel in vorteilhafter Weise eine zusätzliche Abdichtung gegen ein ungünstiges Aufhärten der Nahtwurzel durch Kohlenstoff, was aus bruchmechanischer Sicht höchst wünschenswert ist.
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Zur Herstellung der in 4 dargestellten Anordnung werden gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Variante das Scheibenrad 3 und der Zahnkranz 4 zueinander positioniert und mittels Strahlschweißen miteinander verschweißt. Daraufhin wird das Zahnrad 1 im Härtereiofen gehärtet und anschließend hartbearbeitet. Erst nach der Hartbearbeitung wird ein Dichtmaterialring 8 in den Spalt 6 eingefügt und abgedichtet. In diesem Fall kann es sich bei dem Dichtmaterial um eine organische Matrix, eine metallische Matrix oder eine anorganische Matrix handeln.
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Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass beim Strahlschweißen der Einzelkomponenten wenig Wärme in das Bauteil eingebracht wird, was dazu führt, dass die durch das Schweißverfahren induzierten Eigenspannungen im Vergleich zu den herkömmlich verwendeten Schweißverfahren mit abschmelzender Elektrode vergleichsweise gering sind. Entsprechend können diese durch die während des Einsatzhärtens erfolgende Wärmebehandlung abgebaut werden (Spannungsarmglühen). Dank des Einsatzhärtens wird dem Zahnkranz 4 eine sehr hohe Flankenfestigkeit verliehen, so dass das Großgetriebezahnrad 1 den höchsten Belastungen standhalten kann. Der während des Einsatzhärtens nicht zu vermeidende Bauteilverzug wird durch entsprechende Wahl der Form und Lage der Aussparungen 5 minimiert. Diese Aussparungen 5 sorgen für eine ordnungsgemäße Durchdringung mit Aufkohlgasen während des Aufkohlens. Darüber hinaus wird das Abschreckmittel während des Abschreckprozesses gleichmäßig derart verteilt, dass die Temperaturverteilung in den einzelnen Bereichen des Großgetriebezahnrads 1 während des Abkühlens bzw. Abschreckens möglichst gleichmäßig ist, wodurch einem Bauteilverzug aufgrund lokaler Temperaturunterschiede effektiv entgegengewirkt wird. Es sollte klar sein, dass die Aussparungen 5 auch anders ausgebildet und angeordnet sein können. Beispielsweise kann auch eine symmetrische Anordnung kreisrunde Aussparungen 5 gewählt werden, wenn sich dadurch ein verzugsarmes Bauteil ergibt.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Hartbearbeitung aufgrund des geringen Bauteilverzugs während der vorangegangenen Verfahrensschritte mit verhältnismäßig wenig Aufwand durchgeführt werden kann, weshalb die Kosten für die Hartbearbeitung vergleichsweise gering ausfallen.
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Noch ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch das Abdichten der Spalte 6 mit salpetersäurefestem Dichtmaterial 8 während der Schleifbrandprüfung ein Eindringen von Salpetersäure verhindert wird, so dass die mit einem Eindringen von Salpetersäure einhergehenden Probleme, die eingangs bereits geschildert wurden, nicht auftreten können und dadurch überhaupt die kontrollierte Fertigung dieses Bauteils ermöglicht.
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Die 5 bis 7 zeigen ein Großgetriebezahnrad 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dem Großgetriebezahnrad 10 handelt es sich um ein hybrides Zahnrad, das aus mehreren Einzelkomponenten hergestellt ist, und zwar aus einer Nabe 11, zwei Scheibenrädern 12 und 13 und einem Zahnkranz 14, die an den mit den Pfeilen A gekennzeichneten Positionen miteinander verschweißt sind.
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Die Nabe 11 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und umfasst einen radial vorstehenden Absatz 15 der sich im Wesentlichen mittig entlang des Umfangs der Nabe 11 erstreckt und als Anschlag zur Positionierung der Scheibenräder 12 und 13 dient.
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Die Scheibenräder 12 und 13 sind jeweils mit außermittig angeordneten Aussparungen 16 versehen. Die Aussparungen 16 weisen jeweils unterschiedliche Formen auf und sind asymmetrisch verteilt an den Scheibenrädern 12 und 13 angeordnet, wie es in 5 dargestellt ist.
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Der Zahnkranz 14 ist aus einem Einsatzstahl hergestellt und einsatzgehärtet. Er umfasst einen Verbindungsabschnitt 17 und einen einteilig mit diesem ausgebildeten Zahnkranzabschnitt 18, die über einen Übergangsradius 19 miteinander verbunden sind. Der Verbindungsabschnitt 17 ist mit zwei ringförmigen Verbindungsflächen 20 und 21 versehen, entlang welcher der Zahnkranz 14 mit den Scheibenrädern 12 und 13 verschweißt ist. Zwischen den Verbindungsflächen 20 und 21 erstreckt sich ein radial einwärts vorstehender Absatz 22, der als Anschlag für die Scheibenräder 12 und 13 dient. Das in 7 eingezeichnete Maß a bezeichnet den radialen Abstand zwischen dem Übergangsradius 19 und den Verbindungsflächen 20 und 21 bzw. den dort vorgesehenen Schweißnähten. Der Abstand a ist derart groß zu wählen, dass die Kerbwirkung, die durch als geschlossene Rundnähte vorgesehene Schweißnähte erzeugt wird, sicher entkoppelt wird. Das in 7 eingezeichnete Maß b bezeichnet die Mindestkranzstärke der Scheibenräder 12 und 13 zur Ausführung einer thermisch vertretbaren Schweißnaht entlang der an den Scheibenrädern 12 und 13 vorgesehenen Aussparungen 16, um eine weitgehend ungestörte und asymmetrische Wärmeableitung zu gewährleisten. Bei dem Maß c in 7 handelt es sich um die Differenz zwischen der radialen Höhe des Kranzabsatzes 22 des Zahnkranzes 14 und der Mindestkranzstärke b der Scheibenräder 12 und 13, die dazu erforderlich ist, eine durchström- und ablauffähige Struktur für die beim Einsatzhärten verwendeten Medien zu bilden, wie es nachfolgend noch näher beschrieben ist. Die Maße a, b und c werden im Rahmen der Konstruktion basierend auf einer entsprechenden Berechnung gewählt.
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Das in 5 bis 7 dargestellte Großgetriebezahnrad 10 wird gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wie folgt hergestellt. In einem ersten Schritt werden die Einzelkomponenten bereitgestellt, also die Nabe 11, die beiden Scheibenräder 12 und 13 und der Zahnkranz 14. In einem weiteren Schritt erfolgt eine mechanische Weichbearbeitung der Einzelkomponenten. Hierbei wird die Nabe 11 einer Drehbearbeitung unterzogen. Danach wird der Zahnkranz 14 mit seiner Verzahnung versehen, was beispielsweise im Rahmen einer Wälzfräsbearbeitung erfolgen kann. Im Anschluss werden die Scheibenräder 12 und 13 zwischen der Nabe 11 und dem Zahnkranz 14 eingelegt bzw. eingepresst. Hierzu sollten leichte Presspassungen der Scheibenräder 12 und 13 verwendet werden. Die Radien in den Absätzen der Einpassflächen für die Scheiben im Bereich radialer und axialer Anschlagsfläche sind gemäß der inneren Fase der einzulegenden Scheibe zu berücksichtigen. Die Scheiben haben weiterhin vorteilhafterweise innen einen größeren Radius als auf der außenliegenden Seite, bei der eingeschweißt werden wird. Die Schweißnahtvorbereitung sollte dennoch unter Berücksichtigung der Kosten erfolgen und unnötige Absätze vermeiden. In einem weiteren Schritt werden die Einzelkomponenten dann an den mit den Pfeilen A gekennzeichneten Positionen unter Verwendung eines Strahlschweißverfahrens miteinander verbunden, wobei es sich bei dem Strahlschweißverfahren bevorzugt um ein Elektronenstrahlschweißverfahren handelt. Alternativ kann auch ein Laserstrahlschweißverfahren unter Vakuum oder Teilvakuum verwendet werden.
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Im Anschluss wird das Großgetriebezahnrad 10 im verschweißten Zustand einsatzgehärtet, wodurch der Zahnkranz 14 eine Flankenfestigkeit von 1.250 N/mm2, vorzugsweise 1.500 N/mm2 oder mehr erhält. Daraufhin schließt sich eine Hartbearbeitung an, im Rahmen derer zumindest der Zahnkranz 14 geschliffen wird. Ferner kann aber auch eine Hartbearbeitung der Nabe 11 und/oder der Scheibenräder 12 und 13 folgen, beispielsweise im Rahmen einer Hartdrehbearbeitung.
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In einem weiteren Schritt wird das Zahnrad 10 einer Schleifbrandprüfung unter Einsatz des Nitalätzverfahrens unterzogen.
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Auch bei dem in den 5 bis 7 dargestellten Zahnrad 10 werden rückseitig im Bereich der jeweiligen Schweißnähte verbleibende Spalte 23 mit einem Dichtmaterial 24 abgedichtet, um während der Schweißbrandprüfung ein Eindringen von Salpetersäure zu verhindern. Zum Abdichten der Spalte 23 kann wahlweise ein Abdichtungsverfahren gemäß der zuvor unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen zweiten oder dritten Variante gewählt werden. Die erste Variante ist ausgeschlossen, da beim Einsatz zweier Scheibenräder 12 und 13 ein rückseitiges erneutes Schweißen mangels Zugänglichkeit nicht möglich ist. Die vierte Variante scheidet ebenfalls wegen mangelnder Zugänglichkeit aus.
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Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass beim Strahlschweißen der Einzelkomponenten wenig Wärme in das Bauteil eingebracht wird, was dazu führt, dass die durch das Schweißverfahren induzierten Eigenspannungen im Vergleich zu den herkömmlich verwendeten Schweißverfahren mit abschmelzender Elektrode vergleichsweise gering sind. Entsprechend können diese durch die während des Einsatzhärtens erfolgende Wärmebehandlung abgebaut werden (Spannungsarmglühen). Durch entsprechende Wahl der Maße a, also des Abstands der Übergangsradien 19 zu den Schweißnähten bzw. Verbindungsflächen 20 und 21 wird darüber hinaus die Kerbwirkung entkoppelt. Dank des Einsatzhärtens wird dem Zahnkranz 14 eine sehr hohe Flankenfestigkeit verliehen, so dass das Großgetriebezahnrad 10 den höchsten Belastungen standhalten kann. Der während des Einsatzhärtens nicht zu vermeidende Bauteilverzug wird durch entsprechende Wahl der Form und Lage der Aussparungen 16 minimiert. Diese Aussparungen 16 sorgen für eine ordnungsgemäße Durchdringung mit Aufkohlgasen während des Aufkohlens. Darüber hinaus wird das Abschreckmittel während des Abschreckprozesses gleichmäßig derart verteilt, dass die Temperaturverteilung in den einzelnen Bereichen des Großgetriebezahnrads 10 während des Abkühlens bzw. Abschreckens möglichst gleichmäßig ist, wodurch einem Bauteilverzug aufgrund lokaler Temperaturunterschiede effektiv entgegengewirkt wird. Darüber hinaus wird durch die Aussparungen 16 auch die Reinigungsfähigkeit des Großgetriebezahnrads 10 verbessert. Es sollte klar sein, dass die Aussparungen 16 auch anders ausgebildet und angeordnet sein können. Beispielsweise kann auch eine symmetrische Anordnung kreisrunde Aussparungen 16 gewählt werden, wenn sich dadurch ein verzugsarmes Bauteil ergibt.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Hartbearbeitung aufgrund des geringen Bauteilverzugs während der vorangegangenen Verfahrensschritte mit verhältnismäßig wenig Aufwand durchgeführt werden kann, weshalb die Kosten für die Hartbearbeitung vergleichsweise gering ausfallen.
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Noch ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch das Abdichten der Spalte 23 mit salpetersäurefestem Dichtmaterial 24 während der Schleifbrandprüfung ein Eindringen von Salpetersäure verhindert wird, so dass die mit einem Eindringen von Salpetersäure einhergehenden Probleme, die eingangs bereits geschildert wurden, nicht auftreten können.
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8 zeigt schematisch das Zahnprofil 25 einer Schrägverzahnung eines Zahnkranzes 14 in Draufsicht und in Seitenansicht. Das treibende Zahnrad 26 rückt während des Betriebs mit der spitzeren Zahnkante 27 in das getriebene Rad (nicht gezeigt) ein. Diese Zahnkante 27 ist prinzipbedingt weniger steif als die stumpf gewinkelte gegenüberliegende Zahnkante 28. Das Tragbild der Schrägverzahnung wandert mit steigender Last von der Zahnkante 27 zur Zahnkante 28 und wird gemäß einer speziellen topografischen Korrektur im Tragbild optimiert.
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Das Tragverhalten von Zahnrädern wird insbesondere bei hochfesten, einsatzgehärteten Zahnradwerkstoffen, die eine hohe Lastausnutzung ermöglichen, durch eine merkliche Verformung der elastischen Getriebebauteile und Komponenten überlagert. Auch die Biegung an den Zahnköpfen beträgt in der Regel ein Vielfaches der fertigungsbedingten Formabweichungen am Zahn. Die Überlastung bewirkt außerdem durch Biegungen und Verdrillungen von Ritzel- und Radwelle, Ritzel- und Scheibenradkörper sowie Lagerabsenkungen und Gehäuseverformungen. Hieraus ergeben sich Schiefstellungen der Zahnflanken, die häufig beträchtlich höher liegen als die fertigungsbedingten Flankenlinienabweichungen. Es kommt somit zu einem ungleichmäßigen Tragen der Verzahnungsfläche in Höhe und Breite, was sowohl die Tragfähigkeit als auch das Geräuschverhalten ungünstig beeinflusst.
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Um das hohe Tragvermögen von hochfesten Zahnrädern wiederherzustellen und vermehrte Geräuschbildung zu senken, werden gezielte Abweichungen von der Evolvente (Höhenmodifikation) und von der theoretischen Flankenlinie (Breitenmodifikation) gefertigt, um so unter Last wieder nahezu ideale Geometrien mit gleichmäßiger Lastverteilung zu erhalten. Bei der Ermittlung der Höhen- und Breitenmodifikation muss der Gesamteinflussbereich der Substruktur berücksichtigt werden. Die Verformungskette muss über das Zahnrad, die Welle, die Lagerung, das Gehäuse und die Gehäuseanbindung zur Hauptwelle berücksichtigt werden. Durch Höhenmodifikation am Zahnkopf oder auch am Zahnfuß sowie durch Flankenmodifikation oder Breitenmodifikation wird der Evolvente eine Korrekturform überlagert, die in ein gleichmäßiges Tragen der Zähne und den Abbau der Lastkonzentration an den Zahnenden bei Achsverlagerungen ermöglichen soll. Diese Einflüsse werden an den Einzelbauteilen berechnet und dann als Schnittstelle an die sich anschließende Verzahnungsauslegung aufsummiert übergeben und müssen auch die jeweiligen Fügestellen der geschweißten Großgetriebezahnräder berücksichtigen. Zu beachten sind insbesondere die Wellenverformung, die Lagerverformung, die Fertigungstoleranzbetrachtung, die Verformung der Verzahnung sowie die Verformung der gefügten Scheibenräder. Daher besteht ein weiteres Problem darin, die Verformung des geschweißten Großgetriebezahnrads gerade bei hochbelasteten Zahnrädern explizit zu berücksichtigen.
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Die 9 und 10 zeigen eine erfindungsgemäß erzeugbare Steifigkeitsvariation. Dank einer Zahnkranzdickenerhöhung zu einer Seite hin kann erfindungsgemäß die Steifigkeit zur Bettung des Zahnkranzes manipuliert werden. Diese kann für das treibende, wie für das getriebene Rad, gegeneinander gepaart werden, so dass eine Überlagerung mit der Formkorrektur der Verzahnungen zu einem gleichmäßigeren Tragverhalten über einen breiten Lastbereich erfolgt. 9 zeigt einen mit Scheibenrädern 29 und 30 verschweißten Zahnkranz 31, bei dem es sich um den in 8 dargestellten Zahnkranz 26 des treibenden Rades im modifizierten Zustand handelt. Ein Vorteil dieser erfindungsgemäßen Modifikation besteht darin, dass die Randbereiche der Verzahnung des Zahnkranzes 31 aufgrund lokal verringerter Zahnkranzdicken weicher gestützt werden, um Eckträger, also ein überproportionales und schädliches Tragen nur über die Tanken, zu vermeiden. Weiterhin sind die Schnittstellen zwischen den Scheibenrädern 29 und 30 und dem Zahnkranz 31 durch die Reduzierung der Zahnkranzdicke an den radial innenliegenden Randbereichen des Zahnkranzes 31 gut zugänglich, wodurch in positiver Art und Weise eine Schweißstrahlenkopplung in Richtung der Pfeile A ermöglicht wird. Ein weiterer positiver Effekt besteht darin, dass eine einseitige Drehbearbeitung des Zahnkranzes 31 während der Weichbearbeitung möglich ist, wodurch ein aufwendiges Umspannen des Bauteils vermieden wird.
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11 ist eine schematische Ansicht eines hybriden Großgetriebezahnrads 32 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das ebenfalls aus einer Nabe 33, zwei Scheibenrädern 34 und 35 und einem Zahnkranz 36 hergestellt ist. Während die Nabe mit den Scheibenrädern 34 und 35, wie bei den vorangegangenen Ausführungsformen in axiale Richtung miteinander verschweißt sind, sind die Scheibenräder 34 und 35 mit dem Zahnkranz 36 bei dieser Ausführungsform in radialer Richtung verschweißt. Die Abdichtung der Spalte 37 mit Dichtmaterial 38 erfolgt auch hier entweder gemäß der vorbeschriebenen zweiten Variante oder der dritten Variante.
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12 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Großgetriebezahnrads 39 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dem Großgetriebezahnrad 39 handelt es sich ebenfalls um ein hybrides Zahnrad mit einer Nabe 40, zwei Scheibenrädern 41 und 42 und einem Zahnkranz 43, die miteinander verschweißt sind. Der Aufbau des Großgetriebezahnrads 39 entspricht im Wesentlichen demjenigen des in den 5 bis 7 dargestellten Großgetriebezahnrads 10. Im Gegensatz zum Großgetriebezahnrad 10 sind bei dem Zahnrad 39 die Aussparungen 44 jedoch symmetrisch angeordnet und weisen eine Kreisform auf. Darüber hinaus sind sich axial erstreckende Rohrsteifen 45 vorgesehen, welche die Scheibenräder 41 und 42 miteinander verbinden, wodurch die Konstruktion zusätzlich versteift wird. Im Übrigen entsprechen die Konstruktionen der Großgetriebezahnräder 10 und 39 einander.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurden, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
