DE102018206951A1

DE102018206951A1 - Mehrteiliges Zahnrad

Info

Publication number: DE102018206951A1
Application number: DE102018206951.4A
Authority: DE
Inventors: Erwin VAN EYNDHOVEN
Original assignee: ZF Wind Power Antwerpen NV; ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Wind Power Antwerpen NV; ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-05-04
Filing date: 2018-05-04
Publication date: 2019-11-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad (203) mit einem Grundkörper (201) und mindestens einem Zahn. Der Grundkörper (201) und der Zahn sind als separate Stücke ausgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Verfahren zur Fertigung eines solchen Zahnrads nach Anspruch 8 und ein entsprechendes Werkzeug zur Fertigung nach Anspruch 10.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Zahnrädern sind die Zähne einstückig mit einem Grundkörper des Zahnrads verbunden. Daraus resultieren eine Reihe von Restriktionen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Restriktionen zu umgehen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Zahnrad nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 8 und ein Werkzeug nach Anspruch 10. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Das Zahnrad weist einen Grundkörper und mindestens einen Zahn auf. Der Zahn ist Teil einer Verzahnung des Zahnrads, die ausgebildet ist, mit einer Verzahnung eines weiteren Zahnrads zu kämmen. Der Grundkörper dient der Fixierung der Zähne der Verzahnung und der Übertragung von Drehmomenten, die in der Verzahnung angreifen. Insbesondere kann der Grundkörper ausgebildet sein, auf einer Welle fixiert zu werden.
Erfindungsgemäß sind der Grundkörper und der Zahn als separate Stücke ausgeführt. Dies bedeutet, dass der Grundkörper und der Zahn nicht einstückig miteinander verbunden sind. Dadurch lassen sich der Grundkörper und der Zahn separat fertigen. Insbesondere ist es möglich, den Grundkörper und den Zahn aus verschiedenen Materialien zu fertigen. So kann für den Zahn ein hochwertiger und entsprechend teurer Stahl gewählt werden, während der Grundkörper aus einem kostengünstigen Stahl besteht, dessen Eigenschaften aber für die Anforderungen, die an den Grundkörper gestellt werden, ausreichend sind.
Der Zahn ist in dem Grundkörper fixiert. In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Zahn mindestens formschlüssig mit dem Grundkörper verbunden. Darüber hinaus kann der Zahn auch stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Grundkörper verbunden sein.
Der Zahn kann einstückig ausgeführt sein. In einer bevorzugten Weiterbildung besteht der Zahn aber aus mindestens zwei Segmenten, die als separate Stücke ausgeführt sind. Dies bietet erweiterte Möglichkeiten, die Struktur des Zahns zu optimieren.
Insbesondere kann der Zahn aus scheibenförmigen Segmenten bestehen. Scheibenförmige Segmente lassen sich aus einer Stahlplatte heraustrennen. Zu dem Zweck kommt bevorzugt das Verfahren des Laserstrahlschneidens zum Einsatz.
Die Optimierung der Struktur des Zahns erfolgt in einer bevorzugten Weiterbildung dergestalt, dass die Form eines ersten Segments des Zahns und die Form eines zweiten Segments des Zahns unterschiedlich sind. So können sich etwa die Mikrogeometrie und/oder die Makrogeometrie des ersten Segments und des zweiten Segments unterscheiden.
Insbesondere die Dicke des ersten Segments und die Dicke des zweiten Segments können sich in einer bevorzugten Weiterbildung unterscheiden. Dadurch lässt sich gezielt die Steifigkeit des Zahns in Abhängigkeit der einzelnen Segmente beeinflussen.
Auch ist es möglich, einen Teil der Oberfläche des ersten Segments, der einen Teil einer Flanke des Zahns bildet und einen Teil der Oberfläche des zweiten Segments, der einen Teil derselben Flanke bildet, so zu behandeln, dass die Härte des Teils der Oberfläche des ersten Segments und die Härte des Teils der Oberfläche des zweiten Segments unterschiedlich sind. Dazu werden das erste Segment und das zweite Segment separat gehärtet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Fertigung einer bevorzugten Weiterbildung des Zahnrads mit einem ersten Zahn und einem zweiten Zahn, die jeweils als von dem Grundkörper separate Stücke ausgeführt sind und jeweils aus mindestens zwei als separate Stücke ausgeführten Segmenten bestehen, umfasst die folgenden Schritte:

- Positionieren eines ersten Segments des ersten Zahns und eines ersten Segments des zweiten Zahns des Zahnrads; und
- additives Fertigen eines ersten Segments des Grundkörpers derart, dass das erste Segment des ersten Zahns und das erste Segment des zweiten Zahns mindestens formschlüssig mit dem ersten Segment des Grundkörpers verbunden sind.

Durch den Schritt des Positionierens nehmen das erste Segment des ersten Zahns und das erste Segment des zweiten Zahns eine Position ein, die der Position des ersten Segments des ersten Zahns und des ersten Segments des zweiten Zahns in dem Zahnrad entspricht. Der Grundkörper wird mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, etwa durch 3D-Druck segmentweise aufgebaut.
Anschließend werden in einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ein zweites Segment des ersten Zahns auf dem ersten Segment des ersten Zahns und ein zweites Segment des zweiten Zahns auf dem ersten Segment des zweiten Zahns positioniert. Durch additives Fertigen entsteht ein zweites Segment des Grundkörpers derart, dass das zweite Segment des ersten Zahns und das zweite Segment des zweiten Zahns mindestens formschlüssig mit dem zweiten Segment des Grundkörpers verbunden sind. Das zweite Segment des Grundkörpers wird dabei auf das erste Segment des Grundkörpers aufgebracht. Dabei entsteht eine bevorzugte stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Segment des Grundkörpers und dem zweiten Segment des Grundkörpers. Auch ist es möglich, eine formschlüssige Verbindung herzustellen, etwa indem das erste Segment des Grundkörpers mit einem Halteelement gefertigt wird, das in das zweite Segment des Grundkörpers eingearbeitet wird.
Ein Werkzeug zur spanenden Fertigung eines Zahns für ein erfindungsgemäßes Zahnrad oder eine bevorzugte Weiterbildung des Zahnrads weist erfindungsgemäß genau zwei Schneiden auf. Eine erste der zwei Schneiden ist ausgebildet, eine erste Flanke des Zahns zu bearbeiten. Eine zweite der Schneiden ist entsprechend ausgebildet, eine zweite Flanke desselben Zahns zu bearbeiten. Insbesondere ist es möglich, den Zahn mit dem Werkzeug segmentweise zu bearbeiten. Dabei wird ein Teil der Oberfläche eines Segments des Zahns, der einen Teil der ersten Flanke bildet, mit der ersten Schneide bearbeitet. Ein Teil der Oberfläche des Segments, der einen Teil der zweiten Flanke bildet, wird mit der zweiten Schneide bearbeitet. Die Bearbeitung mit der ersten Schneide und der zweiten Schneide erfolgt gleichzeitig. Die erste Schneide und die zweite Schneide können geometrisch bestimmt oder unbestimmt sein.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:

1a eine Frontalansicht eines Zahnsegments;
1 b eine Seitenansicht des Zahnsegments;
2 ein Zahnrad mit Zahnsegmenten;
3 ein Zahnsegment mit Aussparungen;
4 das Zahnsegment mit einem Grundkörper;
5 eine Fördereinrichtung mit Zahnsegmenten;
6A eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Härten;
6B eine Aufsicht der Vorrichtung; und
7 eine weitere Vorrichtung zum Härten.

Das in den 1a und 1b dargestellte Zahnsegment 101 wurde aus einer Stahlplatte ausgeschnitten und ist deshalb, wie in 1B zu sehen, scheibenförmig. Die Umrisse des Zahnsegments 101 in einem oberen Teil entsprechen dem Querschnitt eines Zahns eines herkömmlichen Zahnrads. Im unteren Teil sind an das Zahnsegment Befestigungselemente 103 angeformt, um das Zahnsegment 101 formschlüssig in einem Grundkörper zu verankern.
Ein entsprechender Grundkörper 201 ist in der 2a dargestellt. Dieser bildet mit mehreren Zahnsegmenten 101 ein Zahnrad 203. Die Zähne des Zahnrads 203 bestehen jeweils, wie in 2B dargestellt, aus mehreren übereinandergestapelten Zahnsegmenten 101. Auch der Grundkörper 201 ist schichtförmig aufgebaut.
Die einzelnen Schichten des Zahnrads 203, jeweils bestehend aus Zahnsegmenten 101 und einer Schicht des Grundkörpers 201, werden der Reihe nach gefertigt. Dazu werden zunächst die Zahnsegmente 101 einer Schicht positioniert. Die jeweilige Schicht des Grundkörpers 201 wird mittels 3D-Druck eingebracht. Beim Drucken der Schicht entsteht eine formschlüssige Verbindung zwischen der Schicht und den Zahnsegmenten 101. Zwischen der jeweils gedruckten Schicht und der darunterliegenden Schicht des Grundkörpers 201 kommt eine stoffschlüssige Verbindung zustande. Auch ist es möglich, Befestigungselemente in den Grundkörper 201 einzuarbeiten, welche die einzelnen Schichten formschlüssig fixieren.
3 stellt ein Zahnsegment 101 dar, dessen Befestigungselemente als Aussparungen 301 ausgeführt sind. Wird der Grundkörper 201 gedruckt, füllen sich die Aussparungen 301 mit dem Material des Grundkörpers 201. Auf diese Weise kommt zwischen dem Grundkörper 201 und dem Zahnsegment 101, wie in 4 dargestellt, eine formschlüssige Verbindung zustande.
Die Zahnsegmente 101 lassen sich mittels eines in 5 dargestellten Förderbands 501 automatisiert fertigen. Die Zahnsegmente 101 sind auf dem Förderband 501 fixiert und durchlaufen einzelne Fertigungsstationen, die entlang des Förderbands 501 positioniert sind. In einer ersten Station 503 werden die Zahnsegmente 101 gefräst. Darauf folgt in einer zweiten Station 505 ein Härtungsschritt. In einer dritten Station 507 werden die Zahnsegmente 101 schließlich geschliffen.
Damit nicht die komplette Oberfläche der Zahnsegmente 101 gehärtet wird, sondern nur der Teil, der nach dem Zusammenbau zu einem Zahnrad 203 eine Zahnflanke bildet, kommen wie in 6A und 6B dargestellt, Abdeckungen 601 zum Einsatz. Die Abdeckungen 601 decken Teile des Zahnsegments 101, die nicht gehärtet werden sollen, ab und lassen die zu härtenden Bereiche frei. Anstelle der Abdeckungen 601 kann auch eine Beschichtung verwendet werden, die auf die Zahnsegmente 101 aufgetragen wird.
7 zeigt eine Sonde 701, die beweglich ist und den Rand eines Zahnsegments 101 abfährt. Die Sonde 701 erzeugt eine kontrollierbare Härtungsatmosphäre. Mit einer Rückwärtsbewegung der Sonde 701 kann die Tiefe der gehärteten Schicht kontrolliert werden. Auch die Verfahrgeschwindigkeit und die erzeugte Härtungsatmosphäre haben einen Einfluss auf die Härtungstiefe.
Bezugszeichenliste

101: Zahnsegment
103: Befestigungselement
201: Grundkörper
203: Zahnrad
301: Aussparung
501: Förderband
503: erste Station
505: zweite Station
507: dritte Station
601: Abdeckung
701: Sonde

Claims

Zahnrad (203) mit einem Grundkörper (201) und mindestens einem Zahn; dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (201) und der Zahn als separate Stücke ausgeführt sind.
Zahnrad (203) nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass der Zahn mindestens formschlüssig mit dem der Grundkörper (201) verbunden ist.
Zahnrad (203) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass der Zahn aus mindestens zwei Segmenten (101) besteht; wobei die Segmente (101) als separate Stücke ausgeführt sind.
Zahnrad (203) nach dem vorhergehenden Anspruch; gekennzeichnet durch scheibenförmige Segmente (101).
Zahnrad (203) nach einem der vorhergehenden zwei Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die Form eines ersten Segments (101) des Zahns und die Form eines zweiten Segments des Zahns (101) unterschiedlich sind.
Zahnrad (203) nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des ersten Segments (101) und die Dicke des zweiten Segments (101) unterschiedliche sind.
Zahnrad (203) nach einem der Ansprüche 3 bis 6; gekennzeichnet durch eine unterschiedliche Härte eines Teils der Oberfläche des ersten Segments (101), der einen Teil einer Flanke des Zahns bildet und eines Teils der Oberfläche des zweiten Segments (101), der einen Teil derselben Flanke bildet.
Verfahren zur Fertigung eines Zahnrads (203) nach einem der Ansprüche 3 oder 4 unter Rückbezug auf Anspruch 2; mit den Schritten - Positionieren eines ersten Segments (101) eines ersten Zahns des Zahnrads (203) und eines ersten Segments (101) eines zweiten Zahns des Zahnrads (203); - additives Fertigen eines ersten Segments des Grundkörpers (203) derart, dass das erste Segment (101) des ersten Zahns und das erste Segment (101) des zweiten Zahns mindestens formschlüssig mit dem ersten Segment des Grundkörpers (203) verbunden werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch; mit den Schritten: - Positionieren eines zweiten Segments (101) des ersten Zahns auf dem ersten Segment (101) des ersten Zahns und eines zweiten Segments (101) des zweiten Zahns auf dem ersten Segment (101) des zweiten Zahns; und - additives Fertigen eines zweiten Segments des Grundkörpers (201) derart, dass das zweite Segment (101) des ersten Zahns und das zweite Segment (101) des zweiten Zahns mindestens formschlüssig mit dem zweiten Segment des Grundkörpers (201) verbunden sind.
Werkzeug zur spanenden Fertigung eines Segments (101) für einen Zahn eines Zahnrads nach einem der Ansprüche 3 bis 7; dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug genau zwei Schneiden aufweist; wobei eine erste Schneide des Werkzeugs ausgebildet ist, einen Teil des Segments (101), der einen Teil einer ersten Flanke des Zahns bildet, zu bearbeiten; und wobei eine zweite Schneide des Werkzeugs ausgebildet ist, einen Teil des Segments (101), der einen Teil einer zweiten Flanke desselben Zahns bildet, zu bearbeiten.
Werkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schneide und die zweite Schneide geometrisch bestimmt oder unbestimmt sind.