-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Getriebebauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Getriebebauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
-
Aus der
DE 10 2013 005 338 A1 ist ein als Zahnrad ausgebildetes Getriebebauteil bekannt, welches einen Wellenanbindungsabschnitt als Antriebsanbindungsabschnitt, einen Verzahnungsabschnitt als einen Abtriebsabschnitt und einen zwischen dem Wellenanbindungsabschnitt und dem Verzahnungsabschnitt angeordneten Verbindungsabschnitt aufweist. Der Verbindungsabschnitt ist mit Durchbrüchen versehen. Weiterhin wird ein Verfahren zur Bearbeitung des Zahnrads beschrieben, in welchem die Durchbrüche durch Verfahren des Urformens, des Umformens, durch einen Stanz- oder Feinschneidprozess oder durch andere spanende Prozesse, wie Bohren oder Fräsen, in den Verbindungsabschnitt eingebracht werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Bearbeitung eines Getriebebauteils und ein verbessertes Getriebebauteil anzugeben.
-
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Getriebebauteils durch die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Das Verfahren dient zur Bearbeitung eines Getriebebauteils, das einen Antriebsanbindungsabschnitt, einen Abtriebsabschnitt und einen zwischen dem Antriebsanbindungsabschnitt und dem Abtriebsabschnitt angeordneten Verbindungsabschnitt aufweist. Durch das Material des Verbindungsabschnitts hindurch wird wenigstens ein Durchbruch eingebracht.
-
Erfindungsgemäß wird der wenigstens eine Durchbruch mittels eines gesteuerten Führens wenigstens eines gerichteten Strahls entlang einer vorbestimmten Kontur eingebracht.
-
Unter Getriebebauteilen werden in möglichen Ausgestaltungen des Verfahrens für rotierende Bewegungen vorgesehene Bauteile wie beispielsweise Zahnräder, Riemenscheiben oder Reibräder verstanden. In weiteren möglichen Ausgestaltungen des Verfahrens können auch für oszillierende Bewegungen oder auf Kurvenbahnen geführte Getriebebauteile, wie beispielsweise Zahnstangen, bearbeitet werden.
-
In möglichen Ausgestaltungen des Verfahrens wird ein Getriebebauteil bearbeitet, dessen Verbindungsabschnitt aus Eisen oder aus einer Eisenlegierung besteht. Eisenlegierungen sind beispielsweise Stahl oder Stahllegierungen.
-
Um den Durchbruch einzubringen, wird beispielsweise ein Strahl einer Laserstrahlung, ein Strahl einer Elektronenstrahlung oder ein Hochdruckwasserstrahl verwendet.
-
Unter einem Strahl einer Laserstrahlung oder einer Elektronenstrahlung werden hier sowohl einzelne Strahlen als auch Strahlenbündel der Laserstrahlung oder der Elektronenstrahlung verstanden.
-
Ein Hochdruckwasserstrahl wird beispielsweise mit einem Druck von bis zu 6000 bar erzeugt und zum Einbringen des Durchbruchs verwendet. In weiteren möglichen Ausführungen des Verfahrens wird der Hochdruckwasserstrahl mit einem Druck von mehr als 6000 bar erzeugt und verwendet.
-
Es können mehrere Strahlen gleichzeitig oder zeitlich nacheinander eingesetzt werden. Durch den Strahl wird das Material des Verbindungsbereichs entlang der Konturen durchtrennt.
-
Die vorbestimmte Kontur ist üblicherweise die Außenkontur des einzubringenden Durchbruchs. In möglichen Ausgestaltungen des Verfahrens kann der Durchbruch eingebracht werden, indem der Strahl entlang von Konturen einzelner Segmente des Durchbruchs geführt wird. Sind alle Segmente eines Durchbruchs entfernt, ist der Durchbruch eingebracht.
-
Als Laserquelle kann ein leistungsstarker Festkörperlaser oder ein Gaslaser, beispielsweise ein Kohlenstoffdioxid-Laser, verwendet werden. Vorteilhaft wird der Durchbruch mittels der Laserstrahlung unter Zufuhr von Sauerstoff durchgeführt. Die Zufuhr von Sauerstoff führt zu einer exothermen Reaktion, die bei gleicher Leistung des Lasers eine höhere Geschwindigkeit beim Laserbeschnitt erlaubt.
-
Der Antriebsanbindungsabschnitt ist zur Verbindung des Getriebebauteils mit einem Antrieb, beispielsweise mit einer Welle, vorgesehen. Über den Abtriebsabschnitt kann eine Kraft auf ein weiteres Bauteil geleitet werden. Im praktischen Einsatz des Getriebebauteils kann ein Kraftfluss auch von dem Abtriebsabschnitt hin zum Antriebsanbindungsabschnitt erfolgen.
-
In einer möglichen Ausführung des Verfahrens wird als Getriebebauteil ein Zahnrad mit einem Wellenanbindungsabschnitt als Antriebsanbindungsabschnitt und einem Verzahnungsabschnitt als Abtriebsabschnitt bearbeitet.
-
Der wenigstens eine Durchbruch kann in einer möglichen Ausführung des Verfahrens als ein Loch oder als ein Fenster eingebracht werden. Ein Loch weist eine kreisrunde Querschnittsfläche auf. Ein Fenster ist ein Durchbruch mit einer anders als kreisrund gestalteten Querschnittsfläche, die beispielsweise oval, elliptisch, rechteckig, vieleckig oder aus Kombinationen dieser zusammengesetzt ist. In das Getriebebauteil können gleichartige Durchbrüche oder Kombinationen von Durchbrüchen unterschiedlicher Form und Dimensionierung eingebracht werden.
-
Der wenigstens eine Durchbruch kann in einer möglichen Ausführung des Verfahrens vorteilhaft auch in ein gehärtetes Material des Verbindungsabschnitts eingebracht werden. Dabei kann die Härte des Materials höher als 60 HRC (Rockwellhärte) sein.
-
In Verfahren gemäß dem Stand der Technik werden Durchbrüche in ungehärtetes Material eingebracht, um den Verschleiß der zur Bearbeitung genutzten Werkzeuge gering zu halten. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dagegen sowohl gehärtetes als auch ungehärtetes Material bearbeitet werden, ohne einen hohen Verschleiß der Werkzeuge in Kauf nehmen zu müssen. Es ist daher möglich, Strahlerzeugungseinheiten zur Bereitstellung und zum gesteuerten Ausrichten eines Strahls einer Laserstrahlung, einer Elektronenstrahlung oder eines Hochdruckwasserstrahls auf das Getriebebauteil, insbesondere auf dessen Verbindungsbereich, flexibel an verschiedenen Stellen einer Fertigungskette des Getriebebauteils anzuordnen.
-
Dadurch ist es gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft möglich, Durchbrüche ohne einen hohen Arbeits- und Zeitaufwand in Getriebebauteile, wie beispielsweise Zahnräder, einzubringen. Die mittels des Verfahrens eingebrachten Durchbrüche weisen keine spanend bearbeiteten Oberflächen auf und neigen weniger zur Ausbildung von Eigenspannungen und Härterissen. Es können infolge des Wärmeeintrags durch die Laserstrahlung oder die Elektronenstrahlung oder durch thermisch-mechanische Wirkungen des Hochdruckwasserstrahls eine Eigenspannungsreduktion und eine Härterissreduktion in der Oberfläche des Materials erreicht werden.
-
Bei der Durchführung des Verfahrens ist es vorteilhaft möglich, dass infolge des Wärmeeintrags der Laser- oder der Elektronenstrahlung beziehungsweise infolge der thermisch-mechanischen Wirkungen des Hochdruckwasserstrahls in das Material rings um den wenigstens einen Durchbruch in einer Randzone Gefügeveränderungen des Materials des Verbindungsabschnitts bewirkt werden. Die Randzone weist vorteilhaft Zähigkeits- und Festigkeitswerte auf, die im Vergleich zu dem Material des Verbindungsabschnitts außerhalb der Randzone höher sind.
-
Die Gefügeveränderung der Randzone kann beispielsweise eine Bainitstruktur kohlenstoffhaltigen Stahls sein. Bainit wird entsprechend der sogenannten Oberflächenreliefdefinition als plattenförmige Phase des Materials angesehen. Diese entsteht ausgehend von dem Austenitgitter durch Scherung oberhalb der Martensitstarttemperatur. Eine Bainitisierung führt vorteilhaft dazu, dass Eigenspannungen vermindert und die Zähigkeit erhöht werden, sodass das sich die Verwendung des Verfahrens für rissempfindliche und kompliziert geformte Bauteile anbietet.
-
Neben einer reinen Gewichtsersparnis ist beispielsweise bei wiederholt zu beschleunigenden Getriebebauteilen ein verringertes Massenträgheitsmoment energetisch günstig. Zugleich kann ein verringertes Massenträgheitsmoment zu einer verringerten mechanischen Belastung von mechanischen Komponenten führen, die mit dem betreffenden Getriebebauteil in Wirkbeziehung stehen, sodass auch einige dieser Komponenten schwächer ausgelegt werden können.
-
Durch das Verfahren sind vorteilhaft eine Gewichtsersparnis sowie ein niedrigeres Massenträgheitsmoment des Getriebebauteils erreichbar und es kann zugleich die Festigkeit des Getriebebauteils erhöht werden.
-
Gefügeveränderungen in den Randzonen können in vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens während der Bearbeitung des Getriebebauteils auch gezielt hervorgerufen werden. Dabei kann der Wärmeeintrag beziehungsweise ein Hervorrufen thermisch-mechanischer Wirkungen hinsichtlich seiner örtlichen und zeitlichen Intensität zielgerichtet bewirkt werden. Die Gefügeveränderungen können gezielt in Hinblick auf eine gewünschte Funktionalität des Getriebebauteils und seiner zukünftigen Verwendung hervorgerufen werden.
-
Das Getriebebauteil weist einen Antriebsanbindungsabschnitt, einen Abtriebsabschnitt und einen zwischen dem Antriebsanbindungsabschnitt und dem Abtriebsabschnitt angeordneten Verbindungsabschnitt auf. In dem Verbindungsabschnitt ist wenigstens ein Durchbruch vorhanden. Erfindungsgemäß ist der wenigstens eine Durchbruch mittels eines gesteuerten Führens wenigstens eines gerichteten Strahls entlang einer vorbestimmten Außenkontur des wenigstens einen Durchbruchs eingebracht.
-
In möglichen Ausführungen des Getriebebauteils besteht der Verbindungsabschnitt aus Eisen oder aus einer Eisenlegierung. Eisenlegierungen sind beispielsweise Stahl oder Stahllegierungen.
-
In einer möglichen Ausführung des Getriebebauteils ist das Getriebebauteil ein Zahnrad mit einem als Wellenanbindungsabschnitt ausgebildeten Antriebsanbindungsabschnitt und einem als Verzahnungsabschnitt ausgebildeten Abtriebsabschnitt.
-
Infolge des wenigstens einen Durchbruchs weist das Getriebebauteil ein um mehrere Prozent geringeres Gewicht als ein gleichartiges Referenzgetriebebauteil ohne den wenigstens einen Durchbruch auf.
-
Das Getriebebauteil weist in einer vorteilhaften Ausführung ein um mehr als 9% geringeres Gewicht auf. Das um eine Längsachse rotierende Getriebebauteil weist außerdem vorteilhaft ein um mehr als 7% geringeres Massenträgheitsmoment um die Längsachse auf. Der Vergleich bezieht sich auf ein gleichartiges Referenzgetriebebauteil ohne den wenigstens einen Durchbruch.
-
In einer möglichen Ausgestaltung des Getriebebauteils ist entlang der Außenkontur des wenigstens einen Durchbruchs in dem Material des Verbindungsabschnitts eine Randzone ausgebildet, in der durch Wirkung des Strahls, insbesondere durch dessen Wärmeeintrag in das Material oder infolge durch den Strahl bedingter thermisch-mechanischer Wirkungen in dem Material, Gefügeveränderungen des Materials des Verbindungsabschnitts bewirkt sind. Die Randzone weist Zähigkeits- und/oder Festigkeitswerte auf, die im Vergleich zu dem Material des Verbindungsabschnitts außerhalb der Randzone höher sind.
-
Die Gefügeveränderung der Randzone kann beispielsweise eine Bainitstruktur sein.
-
Eines oder mehrere der Getriebebauteile können in einem Getriebe verbaut sein.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei zeigen:
-
1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Seite einer Ausführung eines Referenzgetriebebauteils nach dem Stand der Technik,
-
2 schematisch eine perspektivische Ansicht der anderen Seite des Referenzgetriebebauteils nach dem Stand der Technik,
-
3 schematisch eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Getriebebauteils,
-
4 schematisch einen Teilschnitt des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Getriebebauteils,
-
5 schematisch eine perspektivische Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels,
-
6 schematisch eine Seitenansicht eins zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Getriebebauteils,
-
7 schematisch einen Teilschnitt des zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Getriebebauteils, und
-
8 schematisch eine perspektivische Ansicht des zweiten Ausführungsbeispiels.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Ein in der 1 gezeigtes Referenzgetriebebauteil 9 nach dem Stand der Technik in Form eines Zahnrads weist als wesentliche Abschnitte einen Antriebsanbindungsabschnitt 2, einen Verbindungsabschnitt 3 und einen Abtriebsabschnitt 4 auf. Das Referenzgetriebebauteil 9 kann bei seiner Verwendung, beispielsweise in einem Getriebe, um eine Längsachse 8 rotiert werden.
-
Der als Wellenanbindungsabschnitt in Form einer Nabe ausgebildete Antriebsanbindungsabschnitt 2 dient zur Anbindung des Referenzgetriebebauteils 9 an ein nicht dargestelltes Antriebselement, beispielsweise an eine Welle. Der Abtriebsabschnitt 4, der als ein Verzahnungsabschnitt ausgebildet ist, dient einer Kraftübertragung zwischen dem Referenzgetriebebauteil 9 und nicht dargestellten weiteren Bauteilen. Der Antriebsanbindungsabschnitt 2 und der Abtriebsabschnitt 4 sind durch den Verbindungsabschnitt 3 miteinander verbunden.
-
In 2 ist die andere Seite des Referenzgetriebebauteils 9 dargestellt. Neben den bereits angeführten Abschnitten ist auf dem Antriebsanbindungsabschnitt 2 eine Kupplungsscheibe 5 gezeigt.
-
In weiteren möglichen und hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann auf die Kupplungsscheibe 5 verzichtet sein.
-
Das Referenzgetriebebauteil 9 dient als Referenz bei Vergleichen technischer Parameter mit möglichen Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Getriebebauteils 1, welches in den 3 bis 8 dargestellt ist.
-
In der 3 ist ein erstes mögliches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Getriebebauteils 1 in Form eines Zahnrads dargestellt. Das Getriebebauteil 1 weist ebenfalls als wesentliche Abschnitte einen Antriebsanbindungsabschnitt 2, einen Verbindungsabschnitt 3 und einen Abtriebsabschnitt 4 auf. Getriebebauteil 1 und Referenzgetriebebauteil 9 bestehen aus einer Stahllegierung und sind mittels dem Fachmann bekannter Verfahren einsatzgehärtet und angelassen.
-
Abweichend zu dem Referenzgetriebebauteil 9 sind in dem Verbindungsabschnitt 3 des Getriebebauteils 1 um die Längsachse 8, die zugleich eine Symmetrieachse des Getriebebauteils 1 ist, axialsymmetrisch acht Durchbrüche 6 in Form von Löchern mit kreisrunden Querschnittsflächen eingebracht. Die Durchbrüche 6 wurden mittels eines Strahls 10 einer Laserstrahlung in den Verbindungsabschnitt 3 eingebracht. Der Strahl 10 ist dabei entlang von Außenkonturen 6.1 der Durchbrüche 6 geführt.
-
In weiteren möglichen Ausführungsbeispielen sind die Durchbrüche 6 mittels eines Strahls 10 einer Elektronenstrahlung oder eines Strahls 10 in Form eines Hochdruckwasserstrahls eingebracht.
-
In weiteren möglichen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Durchbrüche 6 während eines Schmiedeprozesses, beispielsweise durch ein sogenanntes Konturabgraben, eingebracht.
-
Um die Durchbrüche 6 ist jeweils eine Randzone 7 vorhanden. Die Randzone 7 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur an einem Durchbruch 6 dargestellt. Das Material der Randzone 7 weist höhere Zähigkeits- und Festigkeitswerte auf als das Material des Verbindungsabschnitts 3 außerhalb der Randzone 7. Die Randzone 7 weist Gefügeveränderungen auf, die infolge des Wärmeeintrags der Laserstrahlung oder der Elektronenstrahlung oder infolge thermisch-mechanischer Wirkungen des Hochdruckwasserstrahls in das Material bewirkt worden sind.
-
Ein Teilschnitt des ersten Ausführungsbeispiels ist in 4 dargestellt. In dem Verbindungsabschnitt 3 ist einer der dargestellten Durchbrüche 6 im geschnittenen Zustand dargestellt.
-
Das erste Ausführungsbeispiel des Getriebebauteils 1 in Form eines Zahnrads ist in 5 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Bei einer Rotation des Getriebebauteils 1 um die Längsachse 8 ist eine Reduzierung des Massenträgheitsmoments um 7,18% feststellbar. Das Gewicht des Getriebebauteils 1 liegt 9,67% niedriger als das des Referenzgetriebebauteils 9.
-
Das in 6 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Getriebebauteils 1 weist in dem Verbindungsabschnitt 3 axialsymmetrisch um die Längsachse 8 sechs Durchbrüche 6 in Form von Fenstern auf. Die Fenster besitzen je eine annähernd trapezförmige Querschnittfläche, wobei die Bereiche der Ecken abgerundet sind.
-
Ein Teilschnitt eines möglichen ersten Ausführungsbeispiels des Getriebebauteils 1 ist in 7 dargestellt. In dem Verbindungsabschnitt 3 ist einer der dargestellten Durchbrüche 6 im geschnittenen Zustand dargestellt.
-
Das zweite Ausführungsbeispiel des Getriebebauteils 1 ist in 8 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Bei einer Rotation des Getriebebauteils 1 um die Längsachse 8 ist eine Reduzierung des Massenträgheitsmoments um 9,75% feststellbar. Das Gewicht des Getriebebauteils 1 liegt 12,62% niedriger als das des Referenzgetriebebauteils 9.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013005338 A1 [0003]
