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Die Erfindung betrifft ein Zahnrad nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 3 oder 4.
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Für die Anwendung in Windkraftgetrieben haben sich Planetenräder mit integrierter Lagerlauffläche bewährt. Bei derartigen Planetenrädern ist die Lauffläche eines Gleit- oder Wälzlagers einstückig in das Planetenrad integriert.
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Sowohl die Lauffläche als auch die Verzahnung des Planetenrads müssen gehärtet werden. Dies geschieht in einem einzigen Verfahrensschritt. Die Härte der Verzahnung und die Härte der Lauffläche stimmen infolgedessen überein. Eine abweichende Ausgestaltung der Härteeigenschaften, die in Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsfall vorteilhaft wäre, lässt sich nicht erzielen.
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In der Druckschrift
CN 202246750 O wird eine Aufhängung zur Auskohlung von Zahnrädern gezeigt, bei der mittels eines Krans ein speziell geformter Träger einer Halterung anhebt. Die Zahnräder sind dabei in axialer Richtung auf der Halterung angeordnet. Eine Trennung zwischen dem Äußeren und dem Inneren der Zahnräder findet allerdings nicht statt.
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Die Druckschrift
US 3,946/817 A beschreibt einen Erdbohrer, bei dem die Zähne an der Außenseite und die Lagerlaufflächen an der Innenseite unterschiedlich aufgekohlt werden. Das unterschiedliche Aufkohlen der Außen- und Innenseite erfolgt mittels einer Metallkappe, durch welche die Außen- und Innenseite voneinander getrennt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Eigenschaften eines Zahnrads mit einer integrierten Lagerlaufbahn zu verbessern. Insbesondere soll die Widerstandsfähigkeit des Zahnrads gegenüber Verschleiß, Grübchenbildung bzw. Pitting, Graufleckigkeit bzw. Mikropitting und Zahnbruch verbessert werden.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei einem Zahnrad mit einer integrierten Lagerlaufbahn unterschiedliche Anforderungen an die Oberflächenhärten der Lagerlaufbahn und der Verzahnung gestellt werden. Erfindungsgemäß weisen entsprechend mindestens ein Teil der Lagerlaufbahn und mindestens ein Teil mindestens einer Zahnflanke der Verzahnung des Zahnrads unterschiedliche Oberflächenhärten auf - die Oberflächenhärte des mindestens einen Teils der Lagerlaufbahn und die Oberflächenhärte des mindestens eines Teils der mindestens einer Zahnflanke unterscheiden sich also.
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Ein Zahnrad mit einer integrierten Lagerlaufbahn bezeichnet ein einstückiges Bauteil, das ein Zahnrad, insbesondere dessen Verzahnung, und eine von zwei Lagerlaufbahnen eines Lagers ausbildet. Eine Lagerlaufbahn wiederum ist ein Teil der Oberfläche eines Lagers. Die zwei Lagerlaufbahnen eines Lagers sind relativ zueinander verdrehbar und stützen sich gegeneinander ab. Bei Gleitlagern geschieht dies über einen mit Schmierstoff gefüllten Spalt zwischen den Lagerlaufbahnen. Bei einem Wälzlager rollen zwischen den Lagerlaufbahnen Wälzkörper ab, über die sich die Lagerlaufbahnen gegeneinander abstützen.
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Mit Oberflächenhärte bzw. Härte einer Oberfläche wird ein Maß für den mechanischen Widerstand bezeichnet, den die Oberfläche der mechanischen Einbringung eines Prüfkörpers entgegensetzt. Dies bedeutet, dass der mindestens eine Teil der Lagerlaufbahn und der mindestens eine Teil der Zahnflanke der mechanischen Einbringung eines Prüfkörpers einen unterschiedlichen Widerstand entgegensetzen. Bei der Oberflächenhärte kann es sich etwa um die Universalhärte, die Rockwellhärte, die Brinellhärte, die Vickershärte, die Knoop Härte, die Shore Härte, die Barcol Härte, die Buchholz Härte, die Leeb Härte oder die Mohshärte handeln.
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Eine Zahnflanke eines ersten Zahnrads ist definiert als Teil der Oberfläche eines Zahns des ersten Zahnrads. Dieser Teil der Oberfläche ist ausgebildet, mit einem Teil der Oberfläche mindestens eines Zahns eines zweiten Zahnrads in direkten Kontakt zu kommen, wenn das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad miteinander kämmen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Lagerlaufbahn und die Zahnflanke einsatzgehärtet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Zahnrads umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- - Aufbringen einer ersten Abdeckung;
- - Behandeln des Zahnrads, insbesondere des mindestens einen Teils der Lagerlaufbahn mit einem Härtemittel;
- - Entfernen der ersten Abdeckung; und
- - Behandeln des Zahnrads, insbesondere des mindestens einen Teils der Zahnflanke, mit einem zweiten Härtemittel.
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Der Verfahrensschritt des Behandelns des ersten Zahnrads wird dabei nach dem Aufbringen der ersten Abdeckung ausgeführt; der Verfahrensschritt des Entfernens der ersten Abdeckung wird nach dem Behandeln mit dem ersten Härtemittel ausgeführt. Das Behandeln mit dem zweiten Härtemittel geschieht vor dem Aufbringen oder nach dem Entfernen der ersten Abdeckung.
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Unter einem Härtemittel ist ein Mittel zum Erhöhen der Oberflächenhärte zu verstehen. Als erstes Härtemittel und zweites Härtemittel können unterschiedliche Substanzen verwendet werden. Auch ist es möglich, als erstes Härtemittel und zweites Härtemittel die gleiche oder dieselbe Substanz zu verwenden.
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Die Erfindung sieht vor, dass die erste Abdeckung den mindestens einen Teil der Zahnflanke abdeckt. Insbesondere deckt die erste Abdeckung den mindestens einen Teil der Zahnflanke gegenüber dem ersten Härtemittel ab. Dies bedeutet, dass durch das erste Härtemittel keine Härtung des mindestens einen Teils der Zahnflanke erfolgt. Der mindestens eine Teil der Zahnflanke kommt lediglich mit dem zweiten Härtemittel in Kontakt. Dies ermöglicht es, die Behandlung mit dem zweiten Härtemittel so auszugestalten, dass die Härte des mindestens einen Teils der Zahnflanke optimiert wird. Ausgehend davon lässt sich durch Variation der Wahl unter der Verwendung des ersten Härtemittels die Härte der übrigen Teile des Zahnrads optimieren.
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Anstelle der ersten Abdeckung kann in einem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren eine zweite Abdeckung verwendet werden, die den mindestens einen Teil der Lagerlaufbahn abdeckt. Ein solches Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- - Behandeln des Zahnrads, insbesondere des mindestens einen Teils der Lagerlaufbahn mit dem ersten Härtemittel;
- - Aufbringen der zweiten Abdeckung;
- - Behandeln des Zahnrads, insbesondere des mindestens einen Teils der Zahnflanke, mit dem zweiten Härtemittel; und
- - Entfernen der zweiten Abdeckung.
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Das Zahnrad wird mit dem zweiten Härtemittel behandelt, nachdem die zweite Abdeckung aufgebracht wurde. Das Entfernen der zweiten Abdeckung setzt voraus, dass zuvor das Zahnrad mit dem zweiten Härtemittel behandelt wurde. Das Behandeln mit dem ersten Härtemittel geschieht vor dem Aufbringen oder nach dem Entfernen der zweiten Abdeckung.
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Die Erfindung sieht vor, dass die zweite Abdeckung den mindestens einen Teil der Lagerlaufbahn abdeckt. Insbesondere wird der mindestens eine Teil der Lagerlaufbahn gegenüber dem zweiten Härtemittel abgedeckt. Der mindestens eine Teil der Lagerlaufbahn wird somit ausschließlich durch das erste Härtemittel gehärtet. Dies ermöglicht es, das erste Härtemittel an die Anforderungen hinsichtlich der Oberflächenhärte des mindestens einen Teils der Lagerlaufbahn abzustimmen. Wahl und Anwendung des zweiten Härtemittels können an die Anforderungen hinsichtlich der Oberflächenhärte der übrigen Teile des Zahnrads geeignet gewählt werden.
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Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt in einem einzigen Verfahren kombiniert. Ein solches Verfahren sieht die Aufbringung sowohl der ersten Abdeckung als auch der zweiten Abdeckung vor und umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- - Aufbringen der ersten Abdeckung;
- - Behandeln des Zahnrads, insbesondere des mindestens einen Teils der Lagerlaufbahn, mit dem ersten Härtemittel;
- - Entfernen der ersten Abdeckung;
- - Aufbringen der zweiten Abdeckung;
- - Behandeln des Zahnrads, insbesondere des mindestens einen Teils der Zahnflanke, mit dem zweiten Härtemittel; und
- - Entfernen der zweiten Abdeckung.
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Bevor das Zahnrad mit dem ersten Härtemittel behandelt wird, muss die erste Abdeckung aufgebracht worden sein. Die erste Abdeckung wird erst nach dem Behandeln eines ersten Zahnrads mit dem ersten Härtemittel wieder entfernt. Analog wird die zweite Abdeckung aufgebracht, bevor das Zahnrad mit dem zweiten Härtemittel behandelt wird. Erst danach wird die zweite Abdeckung wieder entfernt. Das Behandeln mit dem zweiten Härtemittel geschieht nach dem Entfernen der ersten Abdeckung, oder das Behandeln mit dem ersten Härtemittel geschieht nach dem Entfernen der zweiten Abdeckung.
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Auch hier wird die erste Abdeckung so angebracht, dass sie den mindestens einen Teil der Zahnflanke abdeckt. Insbesondere deckt die erste Abdeckung den mindestens einen Teil der Zahnflanke gegenüber dem ersten Härtemittel ab. Die zweite Abdeckung deckt den mindestens einen Teil der Lagerlaufbahn ab, insbesondere gegenüber dem zweiten Härtemittel. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der mindestens eine Teil der Zahnflanke ausschließlich mit dem zweiten Härtemittel, nicht aber mit dem ersten Härtemittel, und dass der mindestens eine Teil der Lagerlaufbahn ausschließlich mit dem ersten Härtemittel, nicht aber mit dem zweiten Härtemittel in Kontakt kommt. Dies erleichtert die zielgerichtete Wahl des ersten Härtemittels und des zweiten Härtemittels.
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In einer bevorzugten Weiterbildung wird der mindestens eine Teil der Zahnflanke beschichtet, d.h. auf den mindestens einen Teil der Zahnflanke wird eine erste Beschichtung aufgebracht. Hierbei handelt es sich um einen Überzug, der dem ersten Teil der Zahnflanke anhaftet. Die erste Beschichtung bildet die oben beschriebene erste Abdeckung.
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In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung wird analog der mindestens eine Teil der Lagerlaufbahn beschichtet, d.h. mit einer zweiten Beschichtung versehen. Hierbei handelt es sich um einen Überzug, der den mindestens einen Teil der Lagerlaufbahn anhaftet. Die zweite Beschichtung bildet die oben beschriebene zweite Abdeckung.
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In einer bevorzugten Weiterbildung sind ein oder mehrere der oben beschriebenen Zahnräder in einer Anordnung enthalten, die mehrere Platten umfasst. Diese bilden paarweise einen Zwischenraum, in dem jeweils eins der Zahnräder angeordnet ist. Eine Drehachse der Zahnräder ist dabei bevorzugt orthogonal zu den Platten ausgerichtet.
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Die Platten dienen dazu, ein Inneres der Zahnräder gegenüber einem Äußeren abzuschirmen. Handelt es sich etwa bei den Zahnrädern um außenverzahnte Stirnräder mit einer äußeren Lagerlauffläche, fungieren jeweils zwei Platten, die einen Zwischenraum bilden, als die oben beschriebene zweite Abdeckung.
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Eine Aufhängevorrichtung erleichtert in einer bevorzugten Weiterbildung die Handhabung der Anordnung. Die Aufhängevorrichtung ist ausgebildet, etwa mittels einer Öhse, an einer Tragevorrichtung, z.B. einem Haken, aufgehängt zu werden.
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Ein Abstand zweier Platten zueinander, wenn die Aufhängevorrichtung an der Tragevorrichtung aufgehängt ist, ist größer als eine Breite des Zahnrads. Unter der Breite des Zahnrads ist eine Erstreckung des Zahnrads in radialer Richtung, d.h. entlang einer Drehachse des Zahnrads, zu verstehen. Im aufgehängten Zustand der Tragevorrichtung decken die Platten somit weder die Verzahnung noch die Lagerlaufbahn des Zahnrads ab. Wird ein Härtungsmittel appliziert, kommt es mit der Verzahnung und der Lagerlaufbahn in Kontakt.
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Wenn die Aufhängevorrichtung hingegen nicht aufgehängt ist, liegen die zwei Platten auf dem Zahnrad, vorzugsweise auf den Stirnseiten des Zahnrads. Ein appliziertes Härtungsmittel kommt nun ausschließlich mit dem Äußeren, im Falle eines außen verzahnten Stirnrads mit der Verzahnung des Zahnrads in Kontakt. So lässt sich die Härtung selektiv steuern.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:
- 1 eine Aufhängevorrichtung im aufgehängtem Zustand; und
- 2 die Aufhängevorrichtung im nicht aufgehängten Zustand.
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Eine in den 1 und 2 dargestellte Aufhängevorrichtung 101 umfasst drei Platten 103, eine Kette 105, eine Öhse 107 und zwei Schlaufen 109. In jede Schlaufe 109 ist ein Planetenrad 111 eingehängt.
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Bei den Planetenrädern 111 handelt es sich um außenverzahnte Stirnräder, die in ihrem Inneren eine äußere Laufbahn eines Gleitlagers ausbilden.
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1 zeigt darüber hinaus einen Haken 113, an dem die Öhse 107 angehängt ist. Mittels des Hakens 113 lässt sich die Aufhängevorrichtung 101, wie in 1 dargestellt, anheben. Die Planetenräder 111 werden dann durch die Schlaufen 109 zwischen jeweils zwei Platten 103 gehalten, ohne mit diesen in Kontakt zu kommen. Wird ein Aufkohlungsmittel zugesetzt, kommt es mit dem gesamten Planetenrad, insbesondere mit dessen Verzahnung und dessen Lagerlaufbahn in Kontakt.
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Senkt man den Haken 113, wie in 2 dargestellt, ab, verringert sich der Abstand zwischen den Platten 103, so dass die Platten 103 schließlich auf den Planetenrädern 111 aufliegen. In diesem Zustand decken die Platten 103 das Innere der Planetenräder 111 und damit deren Lagerlaufbahnen ab. Das Aufkohlungsmittel kommt hiernach nur noch mit den Verzahnungen der Planetenräder 111 in Kontakt. Auf diese Weise lässt sich die Härte der Verzahnungen gezielt erhöhen.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Aufhängevorrichtung
- 103
- Platte
- 105
- Kette
- 107
- Öhse
- 109
- Schlaufe
- 111
- Planetenrad
- 113
- Haken
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 202246750 O [0004]
- US 3946817 A [0005]
