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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen einer Belastbarkeit eines Zahnrads und ein zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens konfiguriertes Werkzeug.
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Verzahnungen, insbesondere Zahnräder, zählen zu den am höchsten beanspruchten Bauteilen in einem Getriebe. Entsprechend werden Defekte, die einen Tausch eines Getriebes erforderlich machen, zum Großteil durch einen Verschleiß von Flanken jeweiliger Zähne eines Zahnrads, aufgrund eines Zahnfußbruchs oder aufgrund von sogenanntem „Pitting”, bei dem kleine Ausnehmungen beim Betrieb eines Getriebes in einen jeweiligen Zahn eingebracht werden, verursacht. Um einem verschleißbedingten Bauteilversagen entgegenzuwirken, ist es vorteilhaft ein Zahnrad vor einem Einsatz in einem Getriebe durch Einbringen von Druckeigenspannungen zu härten bzw. eine Belastbarkeit des Zahnrads durch in das Zahnrad eingebrachte Druckeigenspannungen zu erhöhen. Gemäß dem Stand der Technik werden Zahnräder mittels Verfahren zum Festigkeitsstrahlen gehärtet, bei denen ein jeweiliges Zahnrad mit keramischen oder metallischen Kugeln beschossen wird.
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In der deutschen Druckschrift
DE 196 19 401 C1 wird ein Verfahren zum abrasiven Abrichten einer Schleifschnecke mit einem Profilierwerkzeug beschrieben.
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Die deutsche Druckschrift
DE 196 248 42 A1 offenbart ein Werkzeug und ein Verfahren zum Abrichten von Schleifschnecken, bei dem sowohl ein Profil- als auch ein Formabrichtvorgang durchgeführt wird.
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Eine Methode zum Profilieren von modifizierten Schleifschnecken ist in der deutschen Druckschrift
DE 197 06 867 B4 offenbart.
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Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren zum Erhöhen einer Belastbarkeit eines Zahnrads vorgestellt, bei dem mindestens ein Umformkörper an dem Zahnrad entlang geführt wird und der mindestens eine Umformkörper mit mindestens einer Flanke und/oder mindestens einem Zahnfuß des Zahnrads in Kontakt tritt, und bei dem mittels des Kontakts zwischen dem mindestens einen Umformkörper und der mindestens einen Flanke und/oder dem mindestens einen Zahnfuß des Zahnrads Druckeigenspannungen in die mindestens eine Flanke und/oder den mindestens einen Zahnfuß des Zahnrads eingebracht werden.
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Das vorgestellte Verfahren ist im Gegensatz zu einem Schleifverfahren nicht spanend, d. h. nicht durch Materialabtragung geprägt, und dient insbesondere zum Erhöhen einer Belastbarkeit eines Zahnrads. Dazu ist vorgesehen, dass ein jeweiliges Zahnrad mit mindestens einem Umformkörper bearbeitet wird, der mit mindestens einer Flanke und/oder mindestens einem Zahnfuß eines jeweiligen Zahnrads in Kontakt tritt und auf die mindestens eine Flanke und/oder den mindestens einen Zahnfuß des Zahnrads einen Druck ausübt, so dass Druckeigenspannungen in der mindestens einen Flanke und/oder dem mindestens einen Zahnfuß des Zahnrads erzeugt werden. Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Einbringen von Druckeigenspannungen wird das Zahnrad gehärtet und damit gegenüber einem unbehandelten Zustand belastbarer.
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Zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens ist insbesondere vorgesehen, dass ein jeweiliges Zahnrad eingespannt und mit mindestens einem Werkzeug bearbeitet wird, das mindestens einen Umformkörper umfasst und der mindestens eine Umformkörper an dem Zahnrad entlang bewegt wird, um mit mindestens einer Flanke und/oder mindestens einem Zahnfuß des Zahnrads in Kontakt zu treten und um die mindestens eine Flanke und/oder den mindestens einen Zahnfuß mit einem Druck zu beaufschlagen, der dazu führt, dass Druckeigenspannungen in die mindestens eine Flanke und/oder den mindestens einen Zahnfuß eingebracht und entsprechende Kontaktstellen des Zahnrads durch den Umformkörper glattgewalzt bzw. festgewalzt werden. Dazu kann ein jeweiliger Umformkörper starr oder beweglich an einem jeweiligen Werkzeug angeordnet sein.
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Um den mindestens einen erfindungsgemäß vorgesehenen Umformkörper an einem jeweiligen Zahnrad entlang zu bewegen, können das Zahnrad, der mindestens eine Umformkörper bzw. ein den mindestens einen Umformkörper aufweisendes Werkzeug oder das Zahnrad und das Werkzeug gemeinsam bewegt, d. h. insbesondere gedreht werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Werkzeug als Zahnrad ausgestaltet ist, das über an jeweiligen Zähnen des Zahnrads angeordnete Umformkörper in das zu bearbeitende Zahnrad eingreift, um dieses zu bearbeiten.
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In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens eine Flanke und der mindestens eine Zahnfuß des Zahnrads gleichzeitig oder zeitlich aufeinanderfolgend mittels des mindestens einen Umformkörpers mit einem Druck beaufschlagt werden, d. h. glattgewalzt oder festgewalzt werden.
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Es ist denkbar, dass verschiedene Flanken eines Zahns eines jeweiligen Zahnrads gleichzeitig bearbeitet werden, indem ein Umformkörper in jeweilige einen Zahn umgebende Ausnehmungen eingeführt wird, der den Ausnehmungen entsprechend geformt ist. Dabei kann der Umformkörper ferner eine Länge aufweisen, die es dem Umformkörper ermöglicht, gleichzeitig, d. h. beim Einführen in die Ausnehmungen, jeweilige Zahnfüße des Zahnrads und jeweilige Flanken mit einem Druck zu beaufschlagen, so dass Druckeigenspannungen in die Flanken und die Zahnfüße eingebracht werden.
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Selbstverständlich kann der mindestens eine erfindungsgemäß vorgesehene Umformkörper auch derart ausgestaltet sein, dass dieser bei einem Einführen in eine jeweilige Ausnehmung eines Zahnrads lediglich eine Flanke und/oder einen Zahnfuß kontaktiert und entsprechend lediglich in die Flanke und/oder den Zahnfuß Druckeigenspannungen einbringt. Dabei kann der Umformkörper auch derart ausgestaltet sein, dass bei einer Bewegung des Umformkörpers an dem Zahnrad entlang zunächst eine Flanke und anschließend ein Zahnfuß eines jeweiligen Zahns oder eine weitere Flanke eines weiteren Zahns in Kontakt mit dem Umformkörper tritt, um Druckeigenspannungen in die jeweilige Flanke oder den Zahnfuß einzubringen.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Vielzahl Umformkörper verwendet wird, um Druckeigenspannungen in das Zahnrad einzubringen, wobei jeweilige Umformkörper zur Bearbeitung einer Flanke oder eines Zahnfußes des Zahnrads konfiguriert sind.
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Ein jeweiliger Umformkörper kann bspw. zusammen mit mehreren weiteren Umformkörpern, die bspw. als Wälzkörper oder Druckkörper ausgestaltet sein können, d. h. die beweglich oder starr an einem entsprechenden Werkzeug angeordnet sind, an einem jeweiligen Werkzeug angeordnet sein. Dabei können jeweilige Umformkörper zur Kontaktierung unterschiedlicher Elemente eines Zahnrads, d. h. einer Flanke oder eines Zahnfußes, konfiguriert sein, so dass während einer wiederholten Umrundung des Zahnrads durch ein die Umformkörper aufweisendes Werkzeug sowohl die Flanken als auch die Zahnfüße des Zahnrads durch die Umformkörper mit Druck beaufschlagt werden und entsprechende Druckeigenspannungen in das Zahnrad eingebracht werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Deformation der mindestens einen Flanke und/oder des mindestens einen Zahnfußes des Zahnrads durch den mindestens einen Umformkörper mittels einer Variation mindestens eines Parameters der folgenden Liste an Parametern eingestellt wird: Temperatur des Umformkörpers, Temperatur des Zahnrads, mittels des mindestens einen Umformkörpers auf die mindestens eine Flanke und/oder den Zahnfuß aufgebrachter Druck, Drehzahl des mindestens einen Umformkörpers, Drehzahl des Zahnrads, und Achskreuzwinkel zwischen dem Zahnrad und dem mindestens einen Umformkörper.
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Es ist gemäß dem vorgestellten Verfahren insbesondere vorgesehen, dass mittels mindestens eines Umformkörpers Deformationen an jeweiligen Flanken und/oder an mindestens einem Zahnfuß eines Zahnrads hervorgerufen werden, durch die das Zahnrad widerstandsfähiger gegenüber Druck und/oder Reibung wird. Um jeweilige durch einen Umformkörper zu erzeugende Deformationen zu kontrollieren, können verschiedene Parameter, wie bspw. ein Druck, mit dem ein jeweiliger Umformkörper auf das Zahnrad einwirkt oder ein Achskreuzwinkel, mit dem ein jeweiliger Umformkörper auf dem Zahnrad abrollt, eingestellt werden. Dabei können verschiedene Parameter zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich ausgeprägt sein, um bspw. eine zunehmende Intensivierung von Druckeigenspannungen in dem Zahnrad zu erreichen. So kann bspw. ein Umformkörper bei hohen Temperaturen, d. h. Temperaturen, die in der Nähe eines Schmelzpunkts eines jeweiligen das Zahnrad bildenden Materials liegen, auf das Zahnrad einwirken und das Zahnrad anschließend schnell abgekühlt werden.
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Unter einem Achskreuzwinkel ist im Kontext der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Winkel zu verstehen, der zwischen einer durch einen Mittelpunkt eines Honwerkzeugs und orthogonal auf einer Querachse des Werkzeugs stehenden Achse, wie bspw. einer Rotationsachse des Honwerkzeugs, und einer durch einen Mittelpunkt eines Zahnrads und orthogonal auf einer Querachse des Zahnrads stehenden Achse, wie bspw. einer Rotationsachse des Zahnrads gebildet wird.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Achskreuzwinkel zwischen dem mindestens einen Umformkörper und dem Zahnrad oder einem jeweiligen Zahn verändert wird, indem ein Durchmesser des mindestens einen Umformkörpers an jeweiligen Kontaktflächen zwischen dem mindestens einen Umformkörper und dem Zahnrad im Verlauf des mindestens einen Umformkörpers variabel ausgestaltet wird.
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Durch einen variablen, d. h. bspw. einen schrägen oder gekrümmten, Verlauf einer Kontaktstelle eines Umformkörpers kann eine relative Ausrichtung des Umformkörpers zu einem jeweiligen Zahnrad beeinflusst werden, ohne dass eine Achse des Umformkörpers bewegt werden muss. Aufgrund einer Wechselwirkung zwischen einer Form des Zahnrads und einer Form des Umformkörpers richtet sich der Umformkörper automatisch an dem Zahnrad aus und greift entsprechend in eine vorgesehene Stelle ein, um diese zu deformieren und entsprechend Druckeigenspannungen in die Stelle einzubringen.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass mindestens ein Umformkörper ein Hartfeinbearbeitungswerkzeug ist.
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Es ist denkbar, dass der erfindungsgemäß vorgesehene Umformkörper ein Teil eines Kombinationswerkzeugs ist, das eine Vielzahl von Arbeitsschritten kombiniert. Dabei kann das Kombinationswerkzeug bspw. ein Hartfeinbearbeitungswerkzeug umfassen, das ein jeweiliges Zahnrad zunächst hartfeinbearbeitet bevor das Zahnrad mittels eines weiteren Umformkörpers selektiv glattgewalzt bzw. festgewalzt wird.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass als Zahnrad ein innenverzahntes oder ein außenverzahntes Zahnrad gewählt wird und der mindestens eine Umformkörper entsprechend innerhalb oder außerhalb des Zahnrads an dem Zahnrad entlang bewegt wird.
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Um ein innenverzahntes Zahnrad gemäß dem vorgestellten Verfahren zu bearbeiten, kann der erfindungsgemäß vorgesehene Umformkörper in einem durch das Zahnrad gebildeten Innenraum bewegt werden, so dass der Umformkörper an jeweiligen Zähnen des Zahnrads abrollt und/oder das Zahnrad mit seinen Zähnen an dem Umformkörper abrollt.
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Bei einem außenverzahnten Zahnrad kann der erfindungsgemäß vorgesehene Umformkörper außen um ein jeweiliges Zahnrad herum geführt werden, so dass der Umformkörper an jeweiligen Zähnen des Zahnrads abrollt und/oder das Zahnrad mit seinen Zähnen an dem Umformkörper bzw. einem den Umformkörper aufweisenden Werkzeug, wie bspw. einem Zahnrad, abrollt.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Werkzeug zum Erhöhen einer Belastbarkeit eines Zahnrads, mit mindestens einem Umformkörper, wobei der mindestens eine Umformkörper dazu konfiguriert ist, an dem Zahnrad entlang geführt zu werden und mit mindestens einer Flanke und/oder mindestens einem Zahnfuß des Zahnrads in Kontakt zu treten, und wobei der mindestens eine Umformkörper weiterhin dazu konfiguriert ist, bei einem Kontakt zwischen dem mindestens einen Umformkörper und mindestens einer Flanke und/oder mindestens einem Zahnfuß des Zahnrads Druckeigenspannungen in die mindestens eine Flanke und/oder den mindestens einen Zahnfuß des Zahnrads einzubringen.
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Das vorgestellte Werkzeug dient insbesondere zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens.
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In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Werkzeugs ist vorgesehen, dass der mindestens eine Umformkörper an einer Grundstruktur des Werkzeugs angeordnet ist, die im wesentlichen zahnradförmig ausgestaltet ist, und wobei der mindestens eine Umformkörper als im wesentlichen runde Struktur ausgestaltet ist, die dazu konfiguriert ist, mit dem Zahnrad in Kontakt zu treten und das Zahnrad glatt zu walzen und/oder fest zu walzen, wenn der mindestens eine Umformkörper an dem Zahnrad entlang bewegt wird.
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Mittels eines Umformkörpers, der bspw. als Glattwalzrolle, die auf einem Zahn eines als Zahnrad ausgestalteten Werkzeugs angeordnet ist, kann insbesondere ein Zahnfuß eines Zahnrads effizient mit Druck beaufschlagt werden, während das zu bearbeitende Zahnrad und das den Umformkörper aufweisende Werkzeug aneinander, ähnlich dem Abwälzen zweier Zahnräder im Betrieb, abrollen.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Werkzeugs ist vorgesehen, dass das Werkzeug ein Kombinationswerkzeug mit mindestens einem als Wälzkörper ausgestalteten Umformkörper zum Glattwalzen und/oder mit mindestens einem starren Umformkörper zum Festwalzen und/oder mit mindestens einem Hartfeinbearbeitungswerkzeug ist.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist eine Maschine 1 mit einem ersten Werkzeug 3, einem zweiten Werkzeug 5 und einem dritten Werkzeug 7 dargestellt. Die Werkzeuge 3, 5, und 7 drehen sich um ihre jeweiligen Achsen, wie durch die Pfeile 9 angedeutet und stehen dadurch mit jeweiligen an den Werkzeugen 3, 5 und 7 angeordneten Umformkörpern 15, 17 und 19 in Eingriff mit einem Zahnrad 11. Während das Zahnrad 11 sich bewegt, wie durch Pfeil 13 angedeutet, greifen die Umformkörper 15, 17 und 19 der Werkzeuge 3, 5 und 7 in Ausnehmungen des Zahnrads 11 ein. Das erste Werkzeug 3 kontaktiert dabei mit dem Umformkörper 15 eine rechte Flanke 21 eine Zahns 23 des Zahnrads 11. Das zweite Werkzeug 5 kontaktiert mit dem Umformkörper 17 eine linke Flanke 25 eines Zahns 27 des Zahnrads 11 und das dritte Werkzeug 7 kontaktiert mit dem Umformkörper 19 einen Zahnfuß 29 des Zahnrads 11. Entsprechend werden bei einer Bewegung des Zahnrads 11 alle Flanken und Zahnfüße des Zahnrads 11 durch die Umformkörper 15, 17 und 19 kontaktiert und je nach Ausgestaltung des Umformkörpers als Wälzkörper, der bspw. mittels einer Achse oder einer Gelenkpfanne beweglich an dem Werkzeug 3, 5 oder 7 angeordnet ist, glattgewalzt oder mittels eines fest mit dem Werkzeug 3, 5 oder 7 verbundenen Umformkörpers festgewalzt.
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Eine Detailansicht eines Umformkörpers 15 ist an dem Werkzeug 3 gezeigt. Der Umformkörper 15 ist im wesentlichen rund bzw. kugelförmig ausgestaltet und sitzt in einer Aufnahme 31 des Werkzeugs 3. Selbstverständlich können jeweilige Aufnahmen 31 der Werkzeuge 3, 5 und 7 unterschiedliche Umformkörper, wie bspw. eine Mischung aus Hartfeinbearbeitungswerkzeugen, beweglichen Wälzkörpern und festen Umformkörpern tragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19619401 C1 [0003]
- DE 19624842 A1 [0004]
- DE 19706867 B4 [0005]
