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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung eines Zahnradverbundes in Form eines Stufenplaneten für ein Planetengetriebe sowie einen hieraus hergestellten Zahnradverbund selbst und ein Planetengetriebe, das diesen Zahnradverbund in Form von Stufenplaneten umfasst.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Kraftfahrzeugtechnik. Insbesondere in Kraftfahrzeuggetrieben, wie Hybridantrieb-Getrieben, Differentialgetrieben oder Automatikgetrieben, kommen Planetengetriebe mit und ohne Hohlrad zur Anwendung, welche mit den hier interessierenden Stufenplaneten bestückt sind. Durch Stufenplaneten können beispielsweise an sich bekannte schaltbare Planetengetriebe konstruiert werden, mit welchen unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse darstellbar sind.
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Die
DE 10 2012 202 446 A1 offenbart ein Getrieberad, das insbesondere auch als Sonnenrad für ein Differentialgetriebe verwendet werden kann, welches aus einem Radkörper und einer Hülse zusammengesetzt ist. Der Radkörper ist als eine im Wesentlichen zylinderförmige Scheibe mit Außenverzahnung ausgebildet und enthält eine zentrale Ausnehmung. Die Hülse ist als Hohlzylinder ausgebildet und ist im Wesentlichen zentriert zu dem Radkörper mit diesem verbunden. Die Verbindung erfolgt in Form einer Welle-Nabe-Verbindung mit Keilprofilierung. Zur fertigungstechnischen Vereinfachung wird vorgeschlagen, zumindest die Hülse als ein Fließpressteil auszubilden. Demgegenüber wird vorgeschlagen, den Radkörper durch Feinstanzen herzustellen, wobei die Außenverzahnung rolliert wird. Trotz fertigungstechnisch vereinfachter Einzelteilherstellung sind zusätzliche Fixiermittel zur axialen Sicherung der beiden zu montierenden Bauteile erforderlich, beispielsweise in Form eines Wellensicherungsrings.
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Die
DE 10 2009 052 791 A1 offenbart eine andere technische Lösung für eine formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung unter Einbeziehung eines Zahnrads, das einen zentralen Durchbruch mit einer Kerbverzahnung aufweist, die mit einer wellenseitigen Keilverzahnung zusammenwirkt. Auch diese lösbare Bauteilverbindung ist mittels eines Sprengrings zu sichern.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik gehen des Weiteren auch technische Lösungen für einen Zahnradverbund, bestehend aus mindestens zwei Zahnrädern hervor, welche einen Stufenplaneten für ein Planetengetriebe bilden können. Soweit die Fertigung nicht einstückig erfolgt, sind Welle-Nabe-Verbindungen meist über eine Kerbverzahnung der vorstehend erläuterten Art realisiert, welche mit lösbaren oder unlösbaren Sicherungsmitteln versehen ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Fertigung eines Zahnradverbundes, vorzugsweise in Form eines Stufenplaneten für ein Planetengetriebe, zu schaffen, das in einfacher Weise die Fertigung eines einstückigen, unlösbaren Zahnradverbunds ermöglicht.
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Die Aufgabe wird in zwei Varianten durch die nebengeordneten Ansprüche 1 und 2 gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Der Anspruch 5 zielt auf einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Zahnradverbund zur Bildung eines Stufenplaneten eines Planetengetriebes ab und Anspruch 8 ist auf ein einen derartigen Stufenplaneten enthaltendes Planetengetriebe gerichtet.
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Die Erfindung schließt nach der ersten Variante die verfahrenstechnische Lehre ein, folgende Fertigungsschritte nacheinander auszuführen:
- - Formen eines ersten Bauteils zur Bildung eines ersten Zahnrades mit einer konusförmig ausgebildeten zentralen Durchgangsbohrung,
- - Formen eines zweiten Bauteils zur Bildung eines zweiten Zahnrades mit hieran angeordneten konusförmigen koaxialen Wellenfortsatz, der sich in Richtung Wellenende verjüngt,
- - Einstecken des Wellenfortsatzes des zweiten Zahnrades in die zentrale Durchgangsbohrung des ersten Zahnrades, zum anschließenden
- - radialen Reibschweißen des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil zur Erzeugung einer stoffschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung.
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Gemäß der zweiten Variante erfolgt die Fertigung eines Zahnradverbundes durch die nachfolgenden Fertigungsschritte:
- - Formen eines ersten Bauteils zur Bildung eines ersten Zahnrades mit einer zentralen Durchgangsbohrung,
- - Formen eines zweiten Bauteils zur Bildung eines zweiten Zahnrades mit stirnseitig ringscheibenförmiger Anlagefläche,
- - Anlegen der Anlagefläche des zweiten Zahnrades an den stirnseitigen Randbereich der zentralen Durchgangsbohrung des ersten Zahnrades, zum anschließenden
- - axialen Reibschweißen des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil zur Erzeugung einer stoffschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass das Fertigungsverfahren des Reibschweißens in spezieller Weise für die Herstellung eines Zahnradverbundes nutzbar gemacht worden ist. Dabei wurde eine technische Lösung für ein radiales Verschweißen der beiden miteinander zu verbindenden Zahnräder geschaffen, welches eine konische Welle-Nabe-Formgebung voraussetzt. Die Variante für ein axiales Reibschweißen basiert dagegen auf der Schaffung spezieller, miteinander korrespondierender ringscheibenförmiger Anlageflächen an den beiden miteinander zu verbindenden Zahnrädern. Es entsteht nach dem Reibschweißen eine stabile unlösbare Bauteilverbindung, welche insbesondere für die Verwendung des Zahnradverbundes als Stufenplaneten eines Planetengetriebes geeignet ist. Dabei kann die Verzahnung der am Zahnradverbund beteiligten Zahnräder zunächst separat hergestellt werden, ehe die beiden Zahnräder zu einem unlösbaren Zahnradverbund vereint werden. Zusätzliche Befestigungsmittel, wie Kerbverzahnungen und separate Sicherungsmittel, wie Sprengringe, können vollständig entfallen.
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Vorzugsweise sollte der nach den beiden vorstehenden Varianten hergestellte einstückige Zahnradverbund nach dem Reibschweißen und Abkühlen durch ein spanendes Entgraten bearbeitet werden, um Schweißrückstände zu entfernen. Dieser Nachbearbeitungsschritt kann je nach Bauteilgeometrie beispielsweise durch Schleifen oder Plandrehen durchgeführt werden.
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Um eine effiziente Fertigung zu gewährleisten, wird gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernde Maßnahme vorgeschlagen, dass das Formen des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils, welche als Zahnräder auszubilden sind, durch Fließpressen erfolgt. Ein Fließpressen eignet sich im vorliegenden Fall deshalb, weil die einzelnen zusammenzufügenden Bauteile eine relativ einfache geometrisch fließpressgerechte Bauteilform aufweisen. Daneben ist es auch denkbar, in den Fertigungsschritt des Formens auch eine spanende Bearbeitung mit einzubeziehen.
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Vorzugsweise lässt sich durch die erfindungsgemäße Lösung ein Zahnradverbund mit Zahnrädern unterschiedlichen Durchmessers herstellen. Dabei sollte die zwischen den Zahnrädern bestehende und durch diese gebildete Verbindungswelle als Hohlwelle ausgebildet sein, um Material einzusparen. Vorzugsweise bestehen die Bauteile aus einer schweißbaren Stahllegierung.
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Ferner bietet die Gestaltung der Verbindungswelle als Hohlwelle die Voraussetzung dafür, den Innenwandbereich der Hohlfläche als direkte Lauffläche für Wälzkörper einer Wälzlagerung zu nutzen. Insoweit kann auf einen separaten Lageraußenring verzichtet werden, wenn beispielsweise der Zahnradverbund als Stufenplanet auf einem Planetenzapfen eines Planetengetriebes montiert wird.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 einen Längsschnitt durch einen Stufenplaneten im eingebauten Zustand in einem ausschnittsweise dargestellten Planetengetriebe,
- 2 einen Längsschnitt durch eine erste Variante eines als Stufenplaneten verwendbaren Zahnradverbundes vor einem radialen Reibschweißen,
- 3 einen Längsschnitt des Zahnradverbunds nach 2 nach dem Reibschweißen,
- 4 einen Längsschnitt durch den Zahnradverbund nach 2 nach dem Entgraten,
- 5 eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten zur Fertigung des Zahnradverbunds gemäß der 2 bis 4 per radialem Reibschweißen,
- 6 einen Längsschnitt durch eine zweite Variante eines als Stufenplaneten verwendbaren Zahnradverbundes vor einem axialen Reibschweißen,
- 7 einen Längsschnitt des Zahnradverbunds nach 6 nach dem Reibschweißen,
- 8 einen Längsschnitt durch den Zahnradverbund nach 6 nach dem Entgraten,
- 9 eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten zur Fertigung des Zahnradverbunds gemäß der 5 bis 8 per radialem Reibschweißen.
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Gemäß 1 umfasst ein hier nur ausschnittsweise dargestelltes Planetengetriebe mehrere Planetenstufen, von denen eine exemplarische Planetenstufe aus einem ersten Zahnrad 1 mit koaxial benachbartem zweitem Zahnrad 2 kleineren Durchmessers besteht. Das erste Zahnrad 1 ist über einen am zweiten Zahnrad 2 direkt angeformten Wellenfortsatz 3 fest mit dem zweiten Zahnrad 2 verbunden. Der Wellenfortsatz 3 ist dabei Bestandteil einer axial durch den gesamten Zahnradverbund verlaufenden Hohlwelle, deren Wellenende 4 mit der äußeren Stirnseite des ersten Zahnrades 1 abschließt. Der Zahnradverbund ist auf einem Planetenbolzen 6 drehbar über eine Nadellageranordnung 7 gelagert. Benachbart zum Wellenfortsatz 3 ist eine Gleitlagerscheibe 8 zur Axiallagerung des Zahnradverbunds angeordnet. Eine weitere Nadellageranordnung 9 dient der Planetenträgerlagerung. Das erste Zahnrad 1 kommt mit einem Sonnenrad 10 des Planetengetriebes in Eingriff.
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Nach 2 weist das erste Zahnrad 1 eine konusförmig ausgebildete zentrale Durchgangsbohrung 5 auf. Diese Durchgangsbohrung 5 korrespondiert mit dem am zweiten Zahnrad 2 ausgebildeten koaxialen Wellenfortsatz, der ebenfalls konusförmig ausgebildet sich in Richtung Wellenende 4 verjüngt. Ein Konuswinkel α seitens des Wellenfortsatzes 3 sowie seitens der Durchgangsbohrung 5 beträgt zwischen 0,5 bis 5°. Wie durch Pfeildarstellung angedeutet, wird der Wellenfortsatz 3 des zweiten Zahnrades 2 in die zentrale Durchgangsbohrung 5 des ersten Zahnrades 1 eingesteckt, um die beiden Bauteile anschließend durch Reibschweißen in Radialrichtung miteinander zu verbinden, so dass eine stoffschlüssige Welle-Nabe-Verbindung erzeugt wird.
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Nach 3 entsteht nach dem Reibschweißen seitens des distalen Endes des Wellenfortsatzes 3 am Zahnrad 2 sowie auch seitens des ersten Zahnrades 1 ein Schweißrückstand 11, welcher in Axialrichtung hervorsteht. Der Schweißrückstand 11 wird durch Plandrehen entgratet.
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Die 4 illustriert den aus dem ersten Zahnrad 1 und dem zweiten Zahnrad 2 mit dem Wellenfortsatz 3 fest verbundenen Zahnradverbund nach dem Reibschweißen und Entgraten.
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Gemäß 5 erfolgt die Fertigung des vorstehend beschriebenen Zahnradverbundes nach der ersten Variante zusammenfassend derart, dass zunächst ein Formen 100 eines ersten Bauteils zur Bildung des ersten Zahnrades 1 erfolgt. Parallel hierzu oder danach erfolgt ein Formen 110 des zweiten Bauteils zur Bildung des zweiten Zahnrades 2. Durch Einstecken 200 des Wellenfortsatzes 3 in die zentrale Durchgangsbohrung 5 des ersten Zahnrades 1 erfolgt eine Vormontage, welche durch radiales Reibschweißen 300 zu einer stoffschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung führt. Ein nachfolgendes spanendes Entgraten 400 dient dem Entfernen von Schweißrückständen.
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Gemäß der in 6 dargestellten zweiten Variante zur Fertigung eines Zahnradverbundes wird ein erstes Zahnrad 1' mit einer zentralen Durchgangsbohrung 5' bereitgestellt, welche hier zylindrisch ausgebildet ist. Ein zweites Zahnrad 2' ist mit einer stirnseitig ringscheibenförmigen Anlagefläche 12 ausgeführt. Hierüber erfolgt nach Anlegen der Anlagefläche 12 an den die Durchgangsbohrung 5' umgebenden radialen Randbereich ein axiales Reibschweißen der beiden Bauteile zur Erzeugung einer stoffschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung. Da das zweite Zahnrad 2' hier hohlwellenartig ausgeführt ist, ergibt sich insgesamt eine durchgängige Hohlwelle zur Lageraufnahme.
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Nach 7 entsteht nach dem Reibschweißen des ersten Zahnrades 1' mit dem zweiten Zahnrad 2' im Bereich der Anlagefläche 12 ein hier radial abstehender Schweißrückstand 11'. Der Schweißrückstand 11' wird durch spanende Nachbearbeitung entfernt.
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Die 8 illustriert den Zahnradverbund, bestehend aus erstem Zahnrad 1 und zweitem Zahnrad 2 im entgrateten Zustand, wobei zwischen den beiden Bauteilen eine stoffschlüssige Welle-Nabe-Verbindung besteht.
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Gemäß 9 erfolgt die Fertigung des vorstehend in der zweiten Variante beschriebenen Zahnradverbunds zusammenfassend derart, dass zunächst ein Formen 100' eines ersten Bauteils zur Bildung eines ersten Zahnrades 1' durchgeführt wird. Zeitparallel oder danach erfolgt auch ein Formen 110' eines zweiten Bauteils zur Bildung des zweiten Zahnrades 2'. Das Formen 100' und 110' erfolgt hierbei durch Fließpressen.
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Anschließend wird ein Anlegen 200' der Anlagefläche 12 des zweiten Zahnrades 2' an den stirnseitigen Randbereich der zentralen Durchgangsbohrung 5' des ersten Zahnrades 1' durchgeführt, wonach ein axiales Reibschweißen 300' des ersten Bauteils am zweiten Bauteil für eine stoffschlüssige Welle-Nabe-Verbindung sorgt. Schließlich erfolgt ein spanendes Entgraten 400' zum Entfernen der Schweißrückstände.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die beiden vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So braucht der Wellenfortsatz und/oder das zweite Zahnrad nicht notwendigerweise hohlzylindrisch ausgebildet sein. Außerdem können die Zahnräder im Verfahrensschritt des Formens auch durch ein anderes Fertigungsverfahren als Fließpressen hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Zahnrad
- 2
- zweites Zahnrad
- 3
- koaxialer Wellenfortsatz
- 4
- Wellenende
- 5
- Durchgangsbohrung
- 6
- Planetenbolzen
- 7
- Nadellageranordnung
- 8
- Axiallager
- 9
- Nadellageranordnung
- 10
- Sonnenrad
- 11
- Schweißrückstand
- 12
- Anlagefläche
- 100
- Formen des ersten Bauteils
- 110
- Formen des zweiten Bauteils
- 200
- Einstecken/Anlegen
- 300
- radiales/axiales Reibschweißen
- 400
- Entgraten
- α
- Konuswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012202446 A1 [0003]
- DE 102009052791 A1 [0004]
