DE102014207431A1

DE102014207431A1 - Zahnrad mit Druckkamm und Fertigung

Info

Publication number: DE102014207431A1
Application number: DE102014207431.2A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bode
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2015-10-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad (TW) mit mindestens einem Druckkamm (TR), wobei das Zahnrad (TW) eine Drehachse (X) aufweist, wobei sich eine Verzahnung (TH) entlang einer Umfangsrichtung (CD) des Zahnrades (TW) erstreckt, wobei axial neben der Verzahnung (TH) der Druckkamm (TR) angeordnet ist. Damit eine hohe Belastbarkeit bei insbesondere großem Durchmesser erzielt werden kann, wird vorgeschlagen, dass das Zahnrad (TW) zumindest 80%-Gew. aus einem Grundwerkstoff (BM) besteht, wobei der Druckkamm (TR) einstückig mit den Grundwerkstoff (BM) ausgebildet ist. Daneben schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Fertigung vor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad mit mindestens einem Druckkamm, wobei das Zahnrad eine Drehachse aufweist, wobei sich eine Verzahnung entlang einer Umfangsrichtung des Zahnrades erstreckt, wobei axial neben der Verzahnung der Druckkamm angeordnet ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Erzeugung des Zahnrads.
Zahnräder mit Druckkämmen sind bereits aus den Druckschriften EP 1 857 713 A1 , US 4,465,411 A1 oder US 6,204,466 B1 bekannt. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für derartige Zahnräder sind Getriebe insbesondere für Getriebeverdichter, bei denen aus den angeschlossenen Fluidenergiemaschinen axiale Schubkräfte in die Wellen des Getriebes eingeleitet werden.
Ritzelwellen für Getriebeverdichter weisen häufig keine eigenen Axiallager auf, sondern werden durch Spurkränze am Großrad positioniert und geführt. Dazu benötigen sie Ringe, die auf beiden Seiten die Verzahnung überragen, die sogenannten Druckkämme. Diese werden häufig durch Stützringe und Halteringe positioniert und axial fixiert. Bei der Herstellung der Verzahnung durch Schleifen mit großen Profilschleifscheiben wären diese Druckkämme jedoch im Weg der Schleifscheiben, weshalb sie erst nach Fertigstellung der Verzahnung aufgeschrumpft werden. Häufig werden diese anschließend durch mechanische Feinbearbeitung an die Breite des Zahnrads, zum Beispiel eines Großrads eines Getriebes, angepasst. Die Fliehkraft im Betrieb der Maschine wirkt dem Schrumpfsitz entgegen, wodurch hier besonders enge Schrumpfverbindungen mit sehr hohen Kräften ausgelegt werden müssen. Die maximal zulässige Drehzahl der Maschine ist dann oft durch die Streckgrenze bzw. die 0,2 %-Dehngrenze des Druckkammwerkstoffs begrenzt. Es werden häufig hochfeste Werkzeugstähle mit Dehngrenzen über 1.100 MPa für die Druckkämme verwendet.
Nachteile dieser Lösung sind: Hohe Ausschussquote bei der Herstellung der Ringe, insbesondere beim Vergüten, geringe Zähigkeitsreserven bei Überlastung, Bruchempfindlichkeit, Möglichkeit der Relativbewegung auf dem Schrumpfsitz, Gefahr von Reibkorrosion und Ermüdungsbrüche, komplexe und kostenintensive Konstruktion mit vielen Einzelteilen.
Ausgehend von den oben beschriebenen Problemen und Nachteilen hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, ein Zahnrad der eingangs definierten Art und die dafür eingesetzten Herstellungsverfahren weiterzubilden.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein Zahnrad der eingangs definierten Art vorgeschlagen, das die zusätzlichen Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 aufweist.
Weil das Zahnrad nach der Erfindung zumindest 80% aus einem Grundwerkstoff besteht, wobei der Druckkamm einstückig mit den Grundwerkstoff ausgebildet ist, gibt es keinen problematischen Schrumpfsitz des Druckkamms auf dem Grundkörper des Zahnrads.
Eine Möglichkeit der Fertigung nach der Erfindung sieht vor, dass in einem ersten Schritt die Druckkämme direkt bei der Herstellung aus dem Ritzelwellenwerkstoff durch eine Drehbearbeitung herausgearbeitet werden. Da die Druckkämme einer Schleifscheibe im Wege stünden, muss die Verzahnung dann durch Fräsen mit einem Werkzeug entsprechend kleinen Durchmessers in einem zweiten Schritt hergestellt werden. Alternativ kann der zweite Schritt mittels EDM (EDM = electro-discharge-machining) erfolgen.
Werkstoffbedingt kann es beim Fräsen zu einem hohen Werkzeugverschleiß kommen, da die Verzahnungswerkstoffe eine hohe Härte aufweisen. Weiterhin nachteilig in dem Zusammenhang kann es zu einer eingeschränkten Maßhaltigkeit kommen, aufgrund des Werkzeugverschleißes und da die dünnen Fräser bei der Bearbeitung elastisch verformt werden. Die genannten Nachteile treten nicht auf, wenn die Verzahnung durch Funkenerosion mit einem geeigneten Kohlenstoffwerkzeug hergestellt würde. Dieses Herstellverfahren ist weitgehend unabhängig von der Härte des bearbeiteten Materials und ein Werkzeugverschleiß tritt praktisch nicht auf.
Das Verfahren der Funkenerosion erzeugt eine Oberflächenschicht, die die Anforderungen an eine Verzahnung nicht immer erfüllt. Diese könnte mit einem dünnen Fingerschleifer abgetragen werden, der die für Fräser genannten Nachteile wegen erheblich geringerer Zustellkräfte nicht aufweist. Das Herstellen von Verzahnungen erfordert eine hohe Präzision in Hinsicht auf Maße und Oberflächenqualität bei einem ausgesprochen harten Material. Durch Schleifen kann man die Anforderungen gut erfüllen, geometrisch ist aber hier die Verwendung großer Schleifscheiben nicht möglich. Die hier vorgeschlagene Vorgehensweise trennt nun den notwendigen, in die Tiefe gehenden Materialabtrag, der mit einem Verfahren durchgeführt wird, das von der Werkstoffhärte unabhängig ist, von dem Prozessschritt, der letztlich die Oberflächenqualität bestimmt. Da dazu nur noch etwa zwei Zehntel Millimeter abgetragen werden müssen, kann ein Werkzeug verwendet werden, das für die Grobbearbeitung nicht geeignet wäre.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher verdeutlicht. Es zeigen:
1 ein axialer Schnitt durch ein Zahnrad mit Druckkämmen herkömmlicher Bauart,
2 ein axialer Schnitt durch ein Zahnrad mit Druckkämmen gemäß der Erfindung,
3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausbildung des Zahnrades TW, bei dem die Druckkämme TR an den Grundwerkstoff BM angeschweißt sind.
Die schematischen Darstellungen der 1 und 2 zeigen jeweils axiale Schnitte entlang einer Drehachse X durch ein Zahnrad TW mit Druckkämmen TR. Die Druckkämme TR befinden sich axial beidseitig einer sich entlang einer Umfangsrichtung CD erstreckenden Verzahnung TH am radial äußeren Umfang des Zahnrades TW. Im Betrieb dreht sich das Zahnrad TW um die Drehachse X. Ein in das Zahnrad TW eingreifendes anderes – nicht dargestelltes – Zahnrad kämmt mit einer eigenen Verzahnung in der Verzahnung TH des Zahnrades TW und überträgt auch Kräfte in axialer Richtung mittels der eigenen Verzahnung auf die Druckkämme TR.
In der herkömmlichen Bauweise sind die Druckkämme TR auf einem Grundwerkstoff BM des Zahnrades TW aufgeschrumpft, also entsprechend kraftschlüssig angebunden. Regelmäßig reicht der Kraftschluss zwischen dem Grundwerkstoff BM des Zahnrades TW und dem Druckkamm TR aus, um die axialen Kräfte aus dem eingreifenden Zahnrad auf das Zahnrad TW zu übertragen. Sollten diese Kräfte überschritten werden, ist der Druckkamm TR zusätzlich durch einen Stützring SR formschlüssig an dem Grundwerkstoff BM des Zahnrades TW abgestützt. Der Stützring SR ist hierbei in Umfangsrichtung segmentiert, so dass mindestens zwei Hälften des Stützrings vorliegen. Diese beiden Hälften des Stützrings SR werden in eine Nut des Grundwerkstoff BM derart eingelegt, dass der Stützring SR radial aus dem Grundwerkstoff BM herausragt und auf diese Weise den Druckkamm TR jeweils auf der axial abgewendeten Seite gesehen von der Verzahnung TH formschlüssig abstützt. Damit der Stützring SR im Betrieb – also bei Rotation – nicht aus der Nut herausgetragen wird, ist ein zusätzlicher Haltering HR auf das Grundmaterial BM aufgeschrumpft, der den segmentierten Stützring SR in der Radialposition hält.
Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausbildung des Zahnrades TW, bei der die axial auf beiden Seiten der Verzahnung TH befindlichen Druckkämme TR Bestandteil des Grundwerkstoffs BM des Zahnrades TW sind. Vorliegend ist das Zahnrad TW auch einstückig mit einer Welle SH ausgebildet, wobei das Zahnrad TW im Sinne der Erfindung sich axial von einer ersten seitlichen Begrenzungsflanke FF1 zu einer zweiten seitlichen Begrenzungsflanke FF2 erstreckt. Die beiden Ebenen der Begrenzungsflanken SP1, SP2 sind in den 1, 2 und 3 mittels strichpunktierter Linien dargestellt.
Das Zahnrad gemäß der 2 ist mittels Funkenerosion (EDM = electro-discharge-machining) gefertigt, so dass besonders vorteilhaft keine Probleme bei der Zugänglichkeit zu den einzelnen Zahnflanken mit dem bei der Funkenerosion verhältnismäßig kleinen Werkzeug entstehen. Der Grundwerkstoff BM des Zahnrades TW weist einen Kohlenstoffgehalt C ≥ 0,25 Gew.-% auf.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausbildung des Zahnrades TW, bei der der Grundwerkstoff BM einen Kohlenstoffgehalt C ≤ 0,25 Gew.-% aufweist. Bei diesem Zahnrad TW sind die Druckkämme TR an den Grundwerkstoff BM angeschweißt mittels einer Schweißnaht WD.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1857713 A1 [0002]
US 4465411 A1 [0002]
US 6204466 B1 [0002]

Claims

Zahnrad (TW) mit mindestens einem Druckkamm (TR), wobei das Zahnrad (TW) eine Drehachse (X) aufweist, wobei sich eine Verzahnung (TH) entlang einer Umfangsrichtung (CD) des Zahnrades (TW) erstreckt, wobei axial neben der Verzahnung (TH) der Druckkamm (TR) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (TW) zumindest 80%-Gew. aus einem Grundwerkstoff (BM) besteht, wobei der Druckkamm (TR) einstückig mit dem Grundwerkstoff (BM) ausgebildet ist.
Zahnrad (TW) nach Anspruch 1, wobei axial neben der Verzahnung (TH) sich jeweils ein Druckkamm (TR) befindet.
Zahnrad (TW) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Grundwerkstoff (BM) einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,25 Gew.-% aufweist.
Zahnrad (TW) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Grundwerkstoff (BM) einen Kohlenstoffgehalt C ≤ 0,25 Gew.-% aufweist und die Druckkämme (TR) an den Grundwerkstoff (BM) angeschweißt sind mittels einer Schweißnaht (WD).
Verfahren zur Fertigung eines Zahnrads (TW) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Bereitstellen eines Rohlings (GR), – Herstellung der Verzahnung (TH) mittels Erodierens.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt ein Zwischenschritt vorsieht, dass eine spanende Bearbeitung an dem Rohling rotationssymmetrische Konturen herstellt.
Verfahren zur Fertigung eines Zahnrads nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Schritte: – Bereitstellen eines Rohlings (GR), – Ausfräsen der Verzahnung (TH) unter gleichzeitiger Ausbildung von Konturen des mindestens einen Druckkamms (TR).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt ein Zwischenschritt vorsieht, dass eine spanende Bearbeitung an dem Rohling rotationssymmetrische Konturen herstellt.
Verfahren zur Fertigung eines Zahnrads nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Grundwerkstoff (BM) einen Kohlenstoffgehalt C ≤ 0,25 Gew.-% aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte: – Bereitstellen eines Grundwerkstoffs (BM), – anschweißen der Druckkämme (TR) an den Grundwerkstoff (BM) mittels einer Schweißnaht (WD).