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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Zahnfußtragfähigkeit eines eine Verzahnung aufweisenden Getriebeelementes sowie die Verwendung eines Getriebeelementes für ein Achsgetriebe eines Kraftfahrzeuges.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, den Radsatz im Achsgetriebe eines Kraftfahrzeuges einsatzzuhärten, zu läppen und das Tellerrad hierzu zu bondern.
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Aus der
DE 10 2012 202 446 A1 ist ein Getrieberad bekannt, dass als Sonnenrad für ein Differenzialgetriebe verwendet werden kann. Bei diesem Getrieberad kann die Außenverzahnung rolliert werden.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2012 213 406 A1 offenbart ebenfalls ein Getrieberad, dessen Außenverzahnung rolliert werden kann.
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Außerdem ist aus der
DE 10 2005 027 055 A1 ein Verfahren zur Verbesserung eines Verzahnungelements bekannt. Dabei wird in einem Zahngrundbereich eine lokal verdichtete Oberflächenschicht durch eine Kugel, eine Walze oder einen anderen rotierbaren Körper erzeugt.
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Weiter wird versucht, die Zahnflanken zu glätten, um die Reibung zu reduzieren bzw. um die Tragfähigkeit der Zahnflanken zu steigern und damit den Einsatz dünnerer Achsöle zu ermöglichen.
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In diesem Zusammenhang wurde herausgefunden, dass ein Festigkeitsstrahlen der Zahnräder zwar eine Verbesserung der Zahnfußtragfähigkeit ermöglicht, jedoch die Zahnflanken schädigt. Beim Festigkeitsstrahlen wird zwar die Oberflächenzone des Werkstücks kaltverfestigt und es entstehen Druckeigenspannungen. Allerdings werden verfahrensbedingt die Zahnflanken vom Strahlmittel angegriffen und können hierdurch geschädigt werden.
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Die infrage kommenden Prozesse zum Glätten der Zahnflanken gerade auch nach dem Strahlen sind beispielsweise Gleitschleifen bzw. chemisch unterstütztes Gleitschleifen. Diese Schleifprozesse sind jedoch ziemlich aufwendig und langwierig und damit kostenintensiv.
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Wünschenswert wäre es daher, die Zahnfußtragfähigkeit von Getriebeelementen im Achsgetriebe eines Kraftfahrzeuges zu steigern und gleichzeitig auch die Rauheit des Getriebeelementes im Bereich der Verzahnung zu verringern.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Verwendung der eingangs genannten Art in vorteilhafter Weise weiterzubilden, insbesondere dahingehend, dass die Zahnfußtragfähigkeit eines Getriebeelementes für ein Achsgetriebe eines Kraftfahrzeuges verbessert und die Rauheit der Verzahnung eines derartigen Getriebeelementes verringert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, dass bei einem Verfahren zur Steigerung der Zahnfußtragfähigkeit eines eine Verzahnung aufweisenden Getriebeelementes, insbesondere eines Getriebeelementes eines Achsgetriebes eines Fahrzeugs das Getriebeelement zumindest teilweise im Bereich des Zahngrundes rolliert wird und die Zahnflanken des Getriebeelementes zur Reduzierung der Rauheit rolliert werden. Darüber hinaus wird das Getriebeelement zumindest teilweise einsatzgehärtet und/oder induktionsgehärtet und zumindest teilweise geläppt wird.
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Das Rollieren ist beispielsweise in der VDI-Richtlinie VDI/VDE 2032 näher definiert.
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Rollieren ist eine saubere, spanlose Bearbeitung mit Wälzkörpern, zur Glättung und Verfestigung von Werkstoffoberflächen. Dabei wird gegen ein sich drehendes Werkstück ein Rollierwerkzeug mit so großer Kraft gedrückt, dass das Material des Werkstücks zu fließen beginnt und verdrängt wird.
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Rollieren gehört nicht zu den dem Tiefbohren verwandten Verfahren, kann jedoch auch in Bohrungen angewendet werden. Das Rollieren erfolgt mit Werkzeugen (Rollierscheiben). Durch das Rollieren wird eine Verbesserung der Festigkeit, Prozesssicherheit und Oberflächengüte erzielt. Das Verfahren unterscheidet sich vom Glattwalzen. Rollierscheiben bestehen aus Werkzeugstahl, Hartmetall oder Keramik, die durch Schleifen aufgeraut wurden (vorzugsweise mit einer Rauheit von ca. 6-15 µm).
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Durch den Einsatz des Rollierens ergibt sich der Vorteil, dass der Zahngrund hinsichtlich seiner Tragfähigkeit verbessert werden kann und die Zahnfußtragfähigkeit gesteigert wird. Darüber hinaus können die Vorteile des Festigkeitsstrahlens durch das Rollieren des Zahngrundes erreicht werden, ohne die Zahnflanken zu schädigen, da das Festigkeitsstrahlen nunmehr nicht mehr erforderlich ist. Folglich ist es auch nicht erforderlich, nach einem etwaigen Festigkeitsstrahlen ein weiteres Schleifverfahren wie beispielsweise ein Gleitschleifen oder ein chemisch unterstütztes Gleitschleifen einzusetzen.
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Erfindungsgemäß ergibt sich somit beispielsweise der Vorteil, dass die Zahnfußtragfähigkeit erheblich gesteigert werden kann und darüber hinaus auch im Bereich des Zahngrundes durch das Rollieren die Rauheit des Getriebeelementes in diesem Bereich deutlich verringert werden kann.
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Die Erhöhung der Zahnfußtragfähigkeit ist eine wirksame Maßnahme zur Vermeidung eines Zahnfußbruches. Dadurch wird es möglich, den Radsatz kleiner als bislang üblich auszulegen und somit kleinere Getriebe als bislang üblich und möglich bauen zu können. Derartige kleinbauende Getriebe weisen vorteilhafterweise einen besseren Wirkungsgrad verglichen mit den derzeit erhältlichen und üblichen Getrieben auf.
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Des Weiteren kann die Standfestigkeit des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Getriebeelementes deutlich verbessert werden, da die Zahnfußtragfähigkeit erheblich gesteigert wird.
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Durch das Rollieren der Zahnflanken ergibt sich der Vorteil, dass hier die Rauheit der Zahnflanken ähnlich wie beim Gleitschleifen reduziert wird.
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Hierdurch wiederum ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass dünnere Öle für das Getriebe verwendet werden können, um dieses zu schmieren. Durch die Verwendung von dünneren Achsölen, als dies derzeit bei bekannten Getrieben der Fall ist, wird eine weitere Wirkungsgradsteigerung für das Getriebe erreicht.
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Unter Einsatzhärten versteht man das Aufkohlen, Härten und Anlassen eines Werkstücks aus Stahl. Ziel des Einsatzhärtens ist ein weicher und zäher Kern bei gleichzeitig harter Oberfläche des Werkstoffs. Die Randschicht des Werkstücks wird in einem geeigneten Aufkohlungsmedium mit Kohlenstoff angereichert. Durch die Diffusion des Kohlenstoffs von der angereicherten Randschicht in den Kern stellt sich ein Kohlenstoffprofil ein, das typischerweise einen mit zunehmendem Randabstand zum Kern hin abnehmenden Verlauf des Kohlenstoffgehaltes aufweist. Im Anschluss an die Aufkohlung wird das Härten und Anlassen durchgeführt. Hierdurch wird die Randhärte und Einsatzhärtungstiefe eingestellt. Durch das Einsatzhärten kann vorteilhafterweise eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erreicht werden, insbesondere eine Steigerung des Verschleißwiderstandes durch erhöhte Randschichthärte, eine Erhöhung der Belastbarkeit und eine Verbesserung der Biegewechselfestigkeit und Überlasttoleranz durch den zähen Kern. Auch ist eine Erhöhung der Dauerfestigkeit möglich, denn die Martensitbildung beim Härten führt zu einer Volumenzunahme. Diese ist in den kohlenstoffreichen Randschichten höher als im kohlenstoffarmen Kern, weshalb sich an der Oberfläche Druckeigenspannungen aufbauen. Diese wirken den Zugspannungen bei Biege- oder Torsionsbelastung entgegen, weshalb ein Anriss erst bei höheren Spannungen auftritt. Einsatzhärten ist das bevorzugte Verfahren für Antriebsteile und Zahnräder.
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Es ist denkbar, dass das Getriebe zumindest teilweise durch Mehrfrequenzinduktionshärten induktionsgehärtet ist. Induktionshärten ist ein Verfahren zur Oberflächenhärtung. Beim Induktionshärten werden mittels einer Spule bzw. Induktor magnetische Wechselfelder produziert, die Wirbelströme in der Werkstückoberfläche hervorrufen. Diese bewirken eine Erwärmung der Oberfläche des Bauteils.. Läppen ist ein spanendes maschinelles, gegebenenfalls auch von Hand ausgeübtes, zeitbestimmtes Fertigungsverfahren zur Glättung von Oberflächen (Verringerung der Oberflächenrauheit) oder zum Abtrennen von Werkstückteilen bei Einhaltung enger Toleranzen (siehe auch DIN 8589 T15). Das Schneidkorn ist ungebunden. Durch Läppen können sehr harte Oberflächen und Werkstoffe bearbeitet werden und es ist möglich, hohe Genauigkeiten zu erreichen und enge Fertigungstoleranzen einhalten zu können. Das Läppen kann auch zum Einstellen des Tragbildes verwendet werden. Beispielsweise entstehen während des Härtens Verzüge und Zunder. Durch das Läppen können Verzüge ausgeglichen und Zunder entfernt werden.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Getriebeelement nicht festigkeitsgestrahlt wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Zahnflanken infolge des Festigkeitsstrahlens nicht geschädigt werden und auch die nach dem Festigkeitsstrahlen erforderlichen weiteren Schleifprozesse wegfallen können. Auf aufwendige und langwierige und damit kostenintensive Schleifprozesse wie Gleitschleifen oder chemisch unterstütztes Gleitschleifen kann verzichtet werden.
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Außerdem ist möglich, dass das Getriebeelement gebondert wird. Bondern ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Metalloberflächen durch Phosphatieren. Es dient dem Korrosionsschutz. Die erzeugte Phospatierung dient als Gleitschicht. Hierdurch können die Gleiteigenschaften des Getriebeelementes, z.B. eines Tellerrades verbessert und der Korrosionsschutz erhöht werden. Durch das Bondern kann auch ein verbessertes Einlaufverhalten und ein verbessertes Akustikverhalten erreicht werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Getriebeelement ein Bestandteil eines Radsatzes eines Achsgetriebes eines Kraftfahrzeugs ist.
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Außerdem ist möglich, dass das Getriebeelement ein Tellerrad für ein Achsgetriebes eines Kraftfahrzeuges ist.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Getriebeelementes erhalten durch ein erfindungsgemäßes Verfahren für ein Achsgetriebe eines Kraftfahrzeuges.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der nachfolgenden Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 ein erfindungsgemäß hergestelltes Getriebeelement eines Achsgetriebes eines Kraftfahrzeugs zur erfindungsgemäßen Verwendung in einem Achsgetriebe eines Kraftfahrzeugs,
- - 2 eine schematische Prinzipdarstellung des beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Werkzeugs und des Getriebeelements in Schnittansicht, und
- - 3 eine weitere, vergrößerte Prinzipdarstellung des Getriebeelements und des Rollierwerkzeugs.
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In 1 ist ein Getriebeelement 10 in Form eines Tellerrads als Teil eines Radsatzes für ein Achsgetriebe eines Kraftfahrzeugs dargestellt.
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Das Tellerrad hat eine Verzahnung 12 mit am Umfang voneinander beabstandeten Zähnen, wobei zwischen den Zähnen ein Zahngrund liegt.
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Sämtliche Getriebeelemente oder einzelne Getriebeelemente wie das Tellerrad werden wie bislang einsatzgehärtet und geläppt, das Tellerrad wird gebondert.
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Denkbar in diesem Zusammenhang ist aber auch, dass sämtliche Getriebeelemente oder einzelne Getriebeelemente wie das Tellerrad zumindest teilweise induktionsgehärtet werden. Beispielsweise kann ein Mehrfrequenzinduktionshärten eingesetzt werden. Die Getriebeelemente werden auch hier dann geläppt und das Tellerrad wird gebondert.
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Durch das Bondern erhält das Tellerrad bessere Gleiteigenschaften, eine Erhöhung des Korrosionsschutzes, ein verbessertes Einlaufverhalten und auch ein verbessertes Akustikverhalten.
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Jedoch wird zumindest beim Tellerrad vollständig auf ein Festigkeitsstrahlen verzichtet. Hierdurch wird vermieden, dass die Zahnflanken beschädigt werden. Ferner wird vermieden, dass ein Gleitschleifen oder ein chemisch unterstütztes Gleitschleifen erforderlich ist, um die Zahnflanken 16 nach dem Festigkeitsstrahlen zu glätten.
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Vielmehr werden die Getriebeelemente 10 des Achsgetriebes des Kraftfahrzeuges im Bereich des Zahngrundes 14 und gegebenenfalls im Bereich der Zahnflanken 16 der Getriebeelemente rolliert (siehe 2 und 3).
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Beim Rollieren wird eine metallische Oberfläche O unter Einsatz von Wälzkörpern 20 spanlos geglättet und verfestigt. Unter Rollieren versteht man eine Feinstbearbeitung, welche die Randschichten des Bauteils, hier des Getriebeelementes 10 plastisch (dauerhaft) verformt. Das Rollieren ist auch das einzige spanlose Fertigungsverfahren, welches Oberflächen O in dieser Form erreicht. Beim Rollieren werden ein oder mehrere Wälzkörper 20 (meist Rollen) mit einer senkrecht zur Lauffläche gerichteten Kraft (Rollierkraft) beaufschlagt (siehe 2).
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In den 2 und 3 sind die noch nicht rollierten Bereiche zur Verdeutlichung übertrieben stark gefurcht dargestellt.
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Wie in 3 gezeigt, werden Unebenheiten auf der Oberfläche O des Getriebeelementes 10 durch plastische Verformung eingeebnet.
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Durch das Rollieren des Zahngrundes 14 werden die Vorteile des Festigkeitsstrahlens erreicht, ohne die Zahnflanken 16 zu schädigen.
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Durch das optional vorgesehene Rollieren der Zahnflanken 16 wird die Rauheit der Zahnflanken 16 ähnlich wie beim Gleitschleifen reduziert.
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Mittels Rollieren wird sauber und spanlos die Werkstoffoberfläche des Getriebeelementes geglättet und verfestigt. Dabei wird gegen das drehende Getriebeelement ein Rollierwerkzeug mit einem Vorschub WV und mit so großer Kraft gedrückt, dass das Material des Werkstücks bzw. Getriebeelementes zu fließen beginnt und verdrängt wird. Das Rollieren erfolgt mit Werkzeugen (Rollierscheiben), womit eine Verbesserung der Festigkeit, Prozesssicherheit und Oberflächengüte erzielt wird.
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Die Oberfläche O spiegelt nach dem Prozess. Durch vergleichsweise geringe Rauheit der Oberfläche O, die durch das Rollieren erzielt wird, kann eine direkte Reibungsreduzierung bzw. auch die Verwendung eines dünneren Achsöls als bislang möglich in einem Achsgetriebe erreicht werden. Dies sorgt für eine erhebliche Wirkungsgradsteigerung im Vergleich zu bislang bekannten Achsgetrieben, die herkömmliche Getriebeelemente aufweisen.
