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Die Erfindung bezieht sich auf eine Fixtur und ein Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken, insbesondere Zahnrädern, als Teil eines Härteprozesses. Die Fixtur weist eine Aufnahme auf und einen Dorn, der mittig in ein ringförmiges Werkstück bzw. Zahnrad eingreift. Als Abschreckmedium kommen Gase und Flüssigkeiten infrage, wobei aufgrund der hohen Temperaturen am Werkstück zumindest zu Beginn des Abschreckprozesses flüssige Abschreckmittel teilweise verdampfen.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten von Werkstücken mittels Preßwerkzeugen ist aus der
DE 40 04 295 C2 bekannt. Darin wird vorgeschlagen, während jedes Abschreckvorgangs die Auswirkungen der vorgegebenen Verfahrensparameter direkt oder indirekt zu messen und die vorgegebenen Verfahrensparameter bei Abweichungen vom gewünschten Ziel entsprechend den bekannten Wirkungen der Verfahrensparameter automatisch zu ändern. Eine Durchflußmenge an zirkulierendem Kühlmedium kann für die gesamte Fixtur innerhalb gewisser Grenzen entsprechend eines geforderten Sollwerts eingestellt werden.
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Die
DE 10 2009 004 125 A1 betrifft eine druckbeaufschlagende Fixierungsvorrichtung für thermisch zu behandelnde Werkstücke, welche eine Auflageeinrichtung integriert, auf welcher bei Betrieb während eines Härte- oder Abkühlprozesses wenigstens ein thermisch zu behandelndes Werkstück aufliegt, wobei die Auflageeinrichtung Auflagepositionen in lediglich einer horizontalen Ebene bereitstellt, und eine oberhalb der Auflagepositionen angeordnete Niederhaltungseinrichtung, welche eine Vielzahl von Niederhaltungswerkzeugen besitzt, die in Richtung der Auflagepositionen gerichtete Niederhaltungsenden bereithalten, wobei die Niederhaltungswerkzeuge jeweils derart einzeln vertikal beweglich angeordnet und mit Druck beaufschlagbar sind, dass in einem Lade- oder Entladezustand der Vorrichtung zwischen jedem Niederhaltungsende und den Auflagepositionen ein Freiraum definiert ist, der im Betrieb während eines Härte- und/oder Abkühlprozesses vollständig geschlossen ist, und zwar derart, dass jedes Niederhaltungsende entweder an einer Auflageposition oder an einem thermisch zu behandelnden Werkstück anliegt.
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EP 2 700 725 A2 offenbart ein Verfahren zum Härten jeweils eines einzelnen, ringförmigen Werkstückes sowie eine hierzu ausgebildete Fixtur, bei welchem ein einzelnes, zu härtendes ringförmiges Werkstück mit dessen Öffnung über einen Dorn gestülpt wird, bis das Werkstück mit einer ersten Stirnfläche auf einer Auflage aufliegt; ein oder mehrere Niederhalter von einer der ersten Stirnfläche entgegen gerichteten Seite in Richtung des Auflagers zugeführt wird bzw. werden, bis der bzw. die Niederhalter auf einer der ersten Stirnfläche entgegen gerichteten zweiten Stirnfläche des Werkstücks kraftbeaufschlagt aufliegt bzw. aufliegen; kaltes gasförmiges Abschreckmittel zumindest an das Werkstück begrenzende und zueinander entgegen gerichtete Flächen des Werkstückes zugeführt wird; und erwärmtes Abschreckmittel abgeführt wird. Gasförmige und flüssige Abschreckmittel können dem Werkstück getrennt zugeführt werden. Innerhalb der Fixtur ist wenigstens ein Temperaturaufnehmer zur Erfassung der Temperatur am Werkstück angeordnet, wobei der Temperaturaufnehmer an eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Einstellen der Zuführung von Abschreckmittel basierend auf der Temperatur am Werkstück angeschlossen ist. Die Menge an gasförmigem und flüssigem Abschreckmittel kann global für die gesamte Fixtur bzw. das gesamte Werkstück geregelt werden.
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In der Dissertation von Anders Olofson „Hardening Distortions of Serial Produced Gears“, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, 2017, ISBN 978-91-7729-449-8 wird ganzheitlich untersucht, welche Parameter beim Herstellungsprozeß von Zahnrädern, vom Urformen zum Abschrecken, zu Verformungen führen.
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Es ist für Getriebe in Flugzeugtriebwerken wichtig, dass verwendete Zahnräder maßhaltig sind. Die Toleranzen sind eng gewählt. Beim Härten von Zahnrädern werden diese über eine Umwandlungstemperatur erhitzt und rasch abgeschreckt. Als Abschreckmedium wird Öl verwendet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zahnrad, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk, so abzuschrecken, dass es sich nicht infolge ungleichmäßiger Abkühlung und ungleichförmiger Gefügeumwandlung verzieht.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche, die in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Vorgesehen ist demgemäß neben einem Verfahren eine Fixtur zum Abschrecken von Zahnrädern, insbesondere Zahnrädern mit einer Vielzahl an Zähnen, die einander zugewandte Zahnflanken und Zahnköpfe aufweisen, die Fixtur aufweisend eine verschließbare im Wesentlichen ringförmige Aufnahme, welche sich in radialer Richtung und konzentrisch zu einer Achse erstreckt und welche dazu ausgestaltet ist, das Zahnrad in sich aufzunehmen, und Kanäle, die um das Zahnrad herum in die Aufnahme münden, um einen Volumenstrom eines Abschreckmediums an und um das Zahnrad zu leiten, wobei die Aufnahme außen auf einer dem Zahnrad zugewandten Seite einen Segmentring aus radialbeweglichen Segmenten aufweist, welche das Zahnrad in einem betriebsbereiten geschlossenen Zustand der Fixtur so eng umschließen, dass sie die Zahnköpfe nicht berühren, und ein überwiegender Anteil an Abschreckmedium jeweils zwischen den benachbarten Zahnflanken fließt.
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Ein überwiegender Anteil liegt vor, wenn über 90% des Abschreckmediums zwischen Zahnflanken fließt. Unter Abschrecken wird ein Zuführen von Abschreckmedium an das Zahnrad verstanden. Insbesondere Stahllegierungen sind als Ausgangsmaterial für das Zahnrad vorgesehen. Das Abschrecken soll erfindungsgemäß möglichst gleichmäßig erfolgen. Dies wird dadurch erreicht, dass das Abschreckmedium durch Zahnzwischenräume fließen muß, also jeweils zwischen zwei benachbarten Zahnflanken. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass hier Verwirbelungen, Turbolenzen, Dampfblasen weitere vergleichbare Effekte insbesondere zu Beginn des Abschreckvorgangs dazu führen, dass eine Randschicht am Werkstück mit Gasblasen benetzt ist und nicht mit flüssigem Abschreckmedium benetzt wird. Gasblasen sind zwar auch ein Abschreckmedium, sie weisen aber einen erheblich verringerten Wärmeübertragungskoeffizienten als flüssiges Abschreckmedium auf. Infolge des geringen Wärmeübertragungskoeffizienten von Gasblasen bzw. der gasförmigen Randschicht im Zahngrund kann eine Abkühlrate hier zu klein sein für ein gleichmäßiges Abkühlen. Es kommt zu einer inhomogenen Abkühlrate in und um das Zahnrad. Wenn die Abkühlrate nicht einigermaßen homogen am Zahnrad verläuft, kann es infolgedessen zu Eigenspannungen und einer ungleichmäßigen Härtung kommen. Zahngründe bzw. Übergänge von einem benachbarten Zahn zum nächsten Zahn sind hiervon in besonderem Maße betroffen. Das Abschreckmedium wird bei der erfindungsgemäßen Fixtur demnach durch die Zahnzwischenräume gespült. Hierfür engen die radialbeweglichen Segmente das Zahnrad so ein, dass so gut wie gar kein Abschreckmedium an den Zahnkronen passiert und nahezu der gesamte Volumenstrom zwischen den Zähnen durch die Zahnzwischenräume geleitet wird. Die Zahnköpfe berührt das Fluidleitelement nicht, um das Zahnrad während des Abschreckens nicht zu belasten. Ein Festhalten des Zahnradkranzes führt ansonsten zu einem nicht hinnehmbaren Verzug und damit zu einer mangelhaften Maßhaltigkeit des Zahnrads.
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Eine zylindrische Aussparung im Zahnrad dient bei dem späteren Zahnrad bei außen verzahnten Zahnrädern zur Aufnahme eines Lagerzapfens und einer Lagerung Gleit- oder Wälzlagerung. Die zylindrische Aussparung kann bei einem Hohlrad eines Planetengetriebes auch die verzahnte Seite sein. Die Aufnahme kann geschlossen werden, so dass nur noch gerichtete Volumenströme an Abschreckmedium durch Kanäle hinein und wieder hinaus geleitet werden können. Sie ist ringförmig, um das im Wesentlichen ringförmige Zahnrad in sich aufzunehmen.
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Die Segmente sind radial beweglich, damit es beim Einlegen des Zahnrads erst eng an das Zahnrad angelegt werden kann. Ansonsten könnte man das zylindrische Zahnrad nur schwer in die Fixtur bekommen, ohne dass die Zähne in Berührung mit dem Fluidleitelement gelangen.
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In einer Ausgestaltung sind die Segmente kreisförmig nebeneinander angeordnet und weisen radial nach außen gerichtete Konusabschnitte auf, wobei die Segmente mit einem Schließring zusammenwirken, der radial nach innen gerichtete Konusabschnitte aufweist, die an den nach außen gerichteten Konusabschnitten der Segmente abgleiten, wodurch die Segmente bei einer axialen Bewegung der Segmente gegenüber den Schließring radial bewegt werden.
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Entsprechend dieser Ausgestaltung ist eine Vielzahl an Segmenten vorgesehen, die zusammen einen Vollkreis bilden und für sich genommen sind die Segmente Teilkreiselemente. Im geöffneten Zustand der Fixtur weisen benachbarte Segmente zwischen sich Freiräume auf, die infolge der radialen Bewegung beim Schließen de Fixtur sukzessive geschlossen werden. Durch ein Aneinanderdrücken der Vielzahl an Segmenten oder anders ausgedrückt des Rings an Segmenten gegen den Schließring, in axialer Richtung, gleiten die Konusabschnitte so aneinander ab, dass die Segmente radial bewegt werden. Bei einem außenverzahnten Zahnrad werden die Segmente radial nach innen bewegt. Es ist anzumerken, dass die nach innen gerichteten Konusabschnitte des Schließrings so nebeneinander am Schließring angeordnet sein können, dass sie eine geschlossene Konusfläche ausbilden.
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In einer Ausgestaltung berühren die Segmente einander im geschlossenen Zustand der Fixtur, wobei die Segmente dann eine geschlossene, dem Zahnrad zugewandte Fläche bilden.
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Eine geschlossene Fläche stellt einen geringeren Strömungswiderstand für das Abschreckmedium dar als eine durch Segmentabschnitte unterteilte, also unterbrochene Fläche.
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Dadurch, dass die Segmente einander zumindest innen berühren, bilden sie eine dem Zahnrad zugewandte geschlossene Fläche aus, an der Abschreckmedium widerstandsfrei und damit mit einem hohen Volumenstrom vorbeiströmen kann. Die geschlossene Fläche berührt dabei die Zahnköpfe bzw. einen am Weitesten außen liegenden Radius des Zahnrads nicht. Das Zahnrad soll nämlich von außen keiner Last ausgesetzt sein, damit es sich nicht infolge von Kräften verzieht, die die Fixtur auf das Zahnrad ausübt.
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In einer Ausgestaltung wird zum axialen Bewegen des Segmentrings gegen den Schließring ein Niederhalter verwendet, der in axialer Richtung den Segmentring gegen den Schließring preßt, wobei in einer Endlage der Segmentring innen die geschlossene Fläche ausbildet und sich die Segmente umfangsseitig berühren.
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Niederhalter sind an Fixturen zum Abschrecken von Werkstücken üblich. Sie wirken in axialer Richtung und klemmen das Zahnrad zwischen sich und einer Unterseite, auf der das Zahnrad aufliegt, fest. Der Niederhalter wird in der offenbarten Vorrichtung auch dazu verwendet, die Segmente zu schließen. Dies erfolgt, indem der Niederhalter den Ring von teilkreisförmigen Segmenten mit konischen Außenflächen an den konischen Innenflächen des Schließrings axial zusammendrückt. Die konischen geformten Innenflächen bzw. Konusabschnitte des Schließrings gleiten dabei an den konisch geformten Außenflächen bzw. Konusabschnitte der Segmente ab und bewegen die Segmente dadurch radial einwärts.
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In einer Ausgestaltung durchdringt ein Dorn das Zahnrad mittig, wobei Kanalgruppen im Dorn vorgesehen sind, zur mittigen Beaufschlagung mit Abschreckmedium und zum Hindurchleiten von Abschreckmedium an eine Oberseite und an einer Unterseite des Zahnrads.
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Über den Dorn wird das Zahnrad fixiert und in einer Lage gehalten, in der die Zahnkränze die Segmentringe gerade nicht berühren. In dieser Lage wird das Zahnrad zunächst von innen her durchströmt und dann strömt Abschreckmedium an seiner Ober- bzw. Unterseite axial an den Zahnflanken vorbei. Die Abkühlung des symmetrischen Zahnrads erfolgt damit ebenfalls symmetrisch. Die Zahnkränze sind um eine Mittelebene gespiegelt und weisen eine gegenläufige helixförmige Verzahnung auf.
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In einer Ausgestaltung weist das Zahnrad zwei achsparallele Zahnradkränze auf, mit einem Freiraum zwischen sich, wobei zwei in einem Abstand zueinander beabstandete Segmentringe zur Umschließung der Zahnkränze vorgesehen sind und wobei die Segmentringe dem Freiraum zugewandte Krägen aufweisen, die im geschlossenen Zustand der Segmentringe in den Freiraum hineinragen, so dass Abschreckmedium von den Zahnzwischenräumen her kommend durch die Krägen in den Freiraum gespült wird, bevor es zwischen die beanstandeten Segmentringe und von dort nach außen gelangen kann.
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Hierdurch wird eine Durchspülung des Freiraums mit Abschreckmedium erzielt, wodurch in dem vertieften Freiraum eine ausreichende Abkühlung erzielt werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Segmente federbelastet zueinander angeordnet, so dass sich die Segmentringe bei nachlassender axialer Belastung aufspreizen, wodurch die Krägen aus dem Freiraum bewegt werden und die Schließringe axial auseinandergedrückt werden.
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Dadurch wird der Aufbau der Fixtur vereinfacht. Die das Zahnrad einschließende Segmentringe öffnen sich beim Öffnen der Fixtur, selbständig, bedingt durch eine nachlassende axiale Belastung durch den Niederhalter. Das abgeschreckte Zahnrad kann somit ohne weitere Eingriffe in die Fixtur entnommen werden, wenn der Niederhalter bzw. ein Deckel entfernt wurde.
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Zur gleichmäßigen Abkühlung vorgesehen ist ein Verfahren zum Härten eines Zahnrads durch Zuführen von Abschreckmedium an das Zahnrad in einer Fixtur, wobei das Zahnrad einen ersten Zahnradkranz und achsparallel konzentrisch hierzu einen zweiten Zahnradkranz aufweist, wobei das Zahnrad derart in der Fixtur gehalten ist, dass Abschreckmedium von oben und von unten durch Zahnzwischenräume zwischen Zähnen auf den Zahnradkränzen geleitet wird, mit den Schritten:
- • Erfassen einer von Abschreckmedium durchströmten Geometrie der Fixtur und des Zahnrads, wobei ein erster Volumenstrom Abschreckmedium durch eine erste Kanalgruppe an eine Oberseite des Zahnrads gelangt und von dort durch die Zahnzwischenräume im ersten Zahnradkranz strömt, und wobei ein zweiter Volumenstrom an Abschreckmedium durch eine zweite Kanalgruppe an eine Unterseite des Zahnrads gelangt und von dort durch Zahnzwischenräume im zweiten Zahnkranz strömt,
- • Erfassen einer temperaturabhängigen Viskosität und einer temperaturabhängigen Dichte und von durch die Geometrie strömenden Abschreckmedium,
- • CFD-Simulieren einer Umströmung des Zahnrads mit Abschreckmedium entsprechend der erfaßten Geometrie und dem Abschreckmedium und Vergleich des ersten Volumenstroms mit dem zweiten Volumenstroms,
- • Einstellen von Parametern der Fixtur so, dass der erste Volumenstrom zu mindestens 90%, insbesondere zu 95%, besonders bevorzugt zu mindestens 99% dem zweiten Volumenstrom entspricht, um eine gleichmäßige Abkühlung des Zahnrads an seinen Zahnradkränzen zu erzielen.
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Das CFD-Simulieren bzw. computerimplementierte Simulieren der Umströmung des Zahnrads ist notwendig, um die Volumenströme Q1 und Q2 vorhersagen zu können und die Parameter so einzustellen und/oder zu steuern, dass sie im Wesentlichen gleich groß sind. Es kann zuvor zur Auslegung oder parallel während des Abschreckprozesses durchgeführt werden. Eine empirische Ermittlung der Volumenströme durch Messungen ist aufgrund der Zusammenführung beider Volumenströme noch in der Fixtur nicht möglich, weshalb eine CFD Simulation Aufschluß über die Strömungsverhältnisse zur Einstellung der Volumenströme liefern kann.
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In einer Ausgestaltung ist als Parameter zur Einstellung der Volumenströme eine Drossel an einer Kanalgruppe vorgesehen.
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Die Drossel kann verwendet werden, wenn ein bereitstehender Druck in einer Kanalgruppe lediglich reduziert werden muß, um eine Gleichheit der Volumenströme herzustellen. Die Drossel wird während des Abschreckprozesses nicht verändert, sie kann jedoch für mehrere Abschreckvorgänge mit identischen Zahnrädern verwendet werden.
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In einer Ausgestaltung sind als Parameter zur Einstellung der Volumenströme Ventilstellungen eines fluidleitend mit den Kanalgruppen und mit einer Zuführung verbundenen Ventils vorgesehen, wobei das Ventil bei einer Öffnung einen höheren Volumenstrom in eine Kanalgruppe zuläßt und dadurch den Volumenströme einander angelichbar sind. In einer Ausgestaltung ist an einer Kanalgruppe, die einen ersten Volumenstrom bereitstellt, ein Ventil vorgesehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist an einer zweiten Kanalgruppe, die einen zweiten Volumenstrom bereitstellt, ein Ventil vorgesehen. In einer weiteren Ausgestaltung ist in der ersten Kanalgruppe, die einen ersten Volumenstrom zur Verfügung stellt, und in einer zweiten Kanalgruppe, die einen zweiten Volumenstrom zur Verfügung stellt, ein Ventil vorgesehen. Durch das Ventil bzw. die Ventile können die Volumenströme entsprechend eines höheren oder geringeren Bedarfs eingestellt werden.
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Entsprechend einer Ausgestaltung wird das Ventil bzw. werden die Ventile aktiv während des Abschreckvorganges geregelt, anhand einer parallel durchgeführten CFD Simulation einer Umströmung des Zahnrads mit den Volumenströmen.
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Hierdurch wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem während eines Abschreckvorgangs auf Änderungen reagiert werden kann. Infolge von Abkühlprozessen kann sich ein Volumenstrom bei ansonsten gleicher Geometrie verändern. Der Änderung kann begegnet werden, indem sie antizipiert wird und die Parameter so eingestellt werden, dass die Volumenströme wieder im Wesentlichen gleich sind.
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In einer Ausgestaltung ist als Parameter ein Druck in zwei den jeweiligen Kanalgruppen zugeordneten Zuführungen justierbar, um die Volumenströme zu steuern.
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Die Drücke in den jeweiligen Zuführungen können beispielsweise durch regulierbare Pumpen eingestellt werden.
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Ein Verfahren zum Härten eines Zahnrads kann verwirklicht werden durch Mittel zum Erfassen einer von Abschreckmedium durchströmten Geometrie der Fixtur und des Zahnrads, wobei ein erster Volumenstrom Abschreckmedium durch eine erste Kanalgruppe an eine Oberseite des Zahnrads gelangt und von dort durch die Zahnzwischenräume im ersten Zahnradkranz strömt, und wobei ein zweiter Volumenstrom an Abschreckmedium durch eine zweite Kanalgruppe an eine Unterseite des Zahnrads gelangt und von dort durch Zahnzwischenräume im zweiten Zahnkranz strömt, Mittel zum Erfassen einer temperaturabhängigen Viskosität und einer temperaturabhängigen Dichte und von durch die Geometrie strömenden Abschreckmedium, Mittel zum CFD Simulieren einer Umströmung des Zahnrads mit Abschreckmedium entsprechend der erfaßten Geometrie und dem Abschreckmedium und Vergleich des ersten Volumenstroms mit dem zweiten Volumenstrom, Mittel zum Einstellen von Parametern der Fixtur so, dass der erste Volumenstrom zu mindestens 90%, insbesondere zu 95%, besonders bevorzugt zu mindestens 99% dem zweiten Volumenstrom entspricht, um eine gleichmäßige Abkühlung des Zahnrads an seinen Zahnradkränzen zu erzielen.
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In einer Ausgestaltung der Mittel wird als Parameter zur Einstellung der Volumenströme eine Drossel an einer Kanalgruppe verwendet.
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Hierbei kann als Mittel zur Einstellung der Parameter und damit der Volumenströme vorgesehen sein: Mittel zum Verändern von Ventilstellungen eines fluidleitend mit den Kanalgruppen und mit einer Zuführung verbundenen, steuerbaren Ventils, welches bei einer Öffnung einen höheren Volumenstrom in eine Kanalgruppe zuläßt und dadurch die Volumenströme einander angleichbar sind.
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In einer Ausgestaltung kann das Ventil aktiv während des Abschreckvorganges mit Mitteln geregelt werden, anhand einer parallel durchgeführten CFD-Simulation einer Umströmung des Zahnrads mit den Volumenströmen.
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In einer Ausgestaltung wirken die Mittel zum Einstellen der Parameter auf einen Druck in zwei den jeweiligen Kanalgruppen zugeordneten Zuführungen, um die Volumenströme zu steuern.
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Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Offenbarung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein und insbesondere eine vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene Steuereinrichtung mit Mikroprozessoren (CPU) aufweisen. Die Steuereinrichtung kann ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale kann sie von einem Datenbus erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abgeben. Die Steuereinrichtung kann ferner eine CFD Analyse durchführen bzw. eine CFD Simulation einer Umströmung des Zahnrads. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, so dass die Steuereinrichtung die Schritte solcher Verfahren ausführen kann.
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In einer Ausführung sind ein oder mehrere, insbesondere alle Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchführbar. Insbesondere sind die Schritte durch die Steuerung bzw. ihre Mittel automatisiert durchführbar.
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Figurenliste
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Es zeigen:
- 1: im Schnitt eine Fixtur mit einem in einer Aufnahme eingelegten Zahnrad,
- 2: einen in 1 mit B-B gekennzeichneten Schnitt durch einen Bereich der Fixtur und des Zahnrads, und
- 3: schematisch einen Verfahrensablauf eines Verfahrens zur Abschreckung von Zahnrädern in einer Fixtur.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich veranschaulichend. Der Klarheit halber sind in den Zeichnungen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Es ist festzustellen, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Richtungen, insbesondere radial und axial, sind in Bezug auf eine axiale Achse zu verstehen. Die axiale Achse der im Folgenden beschriebenen Fixtur kann zusammenfallen mit einer Achse des ebenfalls im Zusammenhang mit den Figuren beschriebenen Zahnrads. Die Begriffe „oben“, „unten“, „rechts“ und „links“ beziehen sich auf die dargestellten Ausführungsformen entsprechend des geläufigen Sprachgebrauchs. In axialer Richtung bedeutet entlang einer axialen Achse A. Radial bedeutet entlang einer radialen Richtung R. Die radiale Richtung R erstreckt sich orthogonal zur axialen Achse A.
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1 zeigt eine Fixtur 1 zum Abschrecken von Zahnrädern 2 mit einer verschließbaren Aufnahme 3 für das Zahnrad 2 und eine Mehrzahl von fluidleitenden Kanälen 4, die in die Aufnahme 3 münden, zum Zuführen von Abschreckmedium in die Aufnahme 3 und dadurch an das Zahnrad 2. Die Kanäle 4 sind überwiegend auf das Zahnrad 2 gerichtet, das heißt aus den Kanälen 4 austretendes Abschreckmedium prallt unmittelbar auf Oberflächen am Zahnrad 2. Die Aufnahme 3 weist zentral einen Dorn 5 auf, der durch das ringförmige Zahnrad 2 geführt werden kann. Es handelt es sich um ein Zahnrad 2 mit zwei achsparallelen Zahnradkränzen 21 und 22, einem ersten Zahnradkranz 21 und einem zweiten Zahnradkranz 22. Die beiden Zahnradkränze 21 und 22 weisen zwischen sich einen Freiraum 23 auf. Die Zahnradkränze 21 und 22 sind aus gegenläufig schrägverzahnten Zähnen 24 gebildet. Die Zähne 24 erstrecken sich von einem Zahngrund 25 bis zu Zahnköpfen 26. Die Zähne 24 weisen Zahnflanken 27 und dementsprechend zwischen den Zahnflanken 27 Zahnzwischenräume 28 auf. In der in 1 dargestellten Schnittansicht verläuft der Schnitt bei jedem Zahnradkranz 21, 22 durch jeweils zwei Zähne 24. Das Zahnrad 2 ist im Wesentlichen zylindrisch und es weist für die spätere Verwendung in einem Triebwerk eine mittige Aussparung 20 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Lagerzapfens auf. Erfindungsgemäß eignet sich die vorliegend offenbarte Vorrichtung besonders für Zahnräder 2 mit verhältnismäßig tiefem Zahngrund 25. Eigentlich müßte der Zahngrund nur so tief sein, dass im Betrieb die Zahnköpfe eines in Eingriff mit dem Zahnrad 2 befindlichen, nicht dargestellten Zahnrads das Zahnrad 2 nicht berühren. Einige Zahnräder 2 weisen jedoch einen tieferen, das heißt radial weiter einwärts liegenden Zahngrund 25 auf. Dies kann aus Gründen der Gewichtsersparnis und zur Erreichung einer geringeren Massenträgheit erfolgen.
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Das Zahnrad 2 ist außenumfänglich von kreisförmig nebeneinander angeordneten Segmenten 51 und 52 umschlossen. Die Segmente 51 und 52 sind von oben betrachtet siehe 2 unterteilt und bilden zusammen Segmentringe 31 und 32, einen oberen ersten Segmentring 31 und einen unteren, zweiten Segmentring 32. In einer dargestellten betriebsbereiten Stellung befindet sich die Fixtur 1 in einer Endlage. In dieser sind die Segmente 51, 52 geschlossen. In der Endlage umfassen die Segmente 51 und 52 das Zahnrad 2 so, dass die Zahnköpfe 26 gerade nicht berührt werden. In der Endlage ist die Fixtur 1 in einer betriebsbereiten Stellung. Die Segmente 51 und 52 sind radialbeweglich. In radialer Richtung R können die Segmente 51 und 52 somit geöffnet werden, wobei sich ein Innendurchmesser der Segmentringe 31 und 32 aufspreizt, um das Zahnrad 2 freizugeben. Außenumfänglich weisen die Segmente 51, 52 Konusabschnitte 6 auf. In axialer Richtung A verjüngen sich die ersten Segmente 51 des ersten Segmentrings 31. Entgegen der axialen Richtung R verjüngen sich die zweiten Segmente 52 des zweiten Segmentrings 32.
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Die Segmentringe 31 und 32 wirken zusammen mit jeweils einem oberen ersten Schließring 61 und einem unteren zweiten Schließring 62. Die Schließringe 61 und 62 weisen wiederum den Konusabschnitten 6 der Segmentringe 31 und 32 zugewandte radial nach innen gerichtete Konusabschnitte 7 auf. Die Konusabschnitte 7 werden bei einer axialen Bewegung der Segmentringe 31 und 32 gegenüber den Schließringen 61 und 62 radial bewegt. Bewegt werden die Segmentringe 31 und 32 gegenüber den Schließringen 61 und 62 durch einen Niederhalter 16. Der Niederhalter 16 drückt auf den oberen Schließring 61, dieser drückt durch die Interaktion seiner Konusfläche 7 mit der Konusfläche 6 die Segmente 51 des ersten Segmentrings 31 nach innen. Der obere Segmentring 31 wirkt in nicht dargestellter Weise auf den unteren Segmentring 32, der durch seine Konusabschnitte 6 in Interaktion mit den Konusabschnitten 7 des unten aufliegenden zweiten Schließrings 62 ebenfalls radial einwärts bewegt wird.
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In der Fixtur 1 fließt bei einem Abschreckvorgang Abschreckmedium um das Zahnrad 2 herum. Das Abschreckmedium soll mit einem möglichst hohen Volumenstrom durch die Zahnzwischenräume 28 gedrängt werden. Hierfür werden die Segmentringe 31 und 32 beim Abschreckvorgang radial einwärts entgegen der radialen Richtung R so weit auf das Zahnrad 2 zubewegt, dass die Segmente 51 und 52 die Zahnköpfe 26 gerade eben nicht berühren. Das Abschreckmedium kann demnach nicht oder nur mit einem sehr geringen Leckagevolumenstrom zwischen den Zahnköpfen 26 und den Segmenten 51 und 52 passieren. Der Leckagevolumenstrom über die Zahnköpfe 26 kann in einer CFD (Computational Fluid Dynamics) simuliert und berücksichtigt werden. Der überwiegende Volumenstrom an Abschreckmedium wird zwischen den Zähnen 24 durch die Zahnzwischenräume 28 fließen. Dadurch wird vermieden, dass sich eine heiße Grenzschicht am Zahngrund 25 bilden kann, an die kein flüssiges Abschreckmedium gelangt. Es wird erreicht, dass der Zahngrund 25 eines jeden Zahns 24 gut mit flüssigem Abschreckmedium benetzt ist. Flüssiges Abschreckmedium weist neben einer höheren Dichte an Diffusionsmaterial auch einen höheren Wärmeübertragungskoeffizienten als gasförmiges Abschreckmedium. Demnach kann flüssiges Abschreckmedium sowohl mehr Wärme abtransportieren als auch mehr Diffusionsmaterial in den Zahngrund 25 einbringen.
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Wenn die Segmentringe 31 und 32 geschlossen sind, bilden sie radial innen eine geschlossene zylindrische Fläche 53 aus, die das Abschließen bzw. das Vorbeileiten von Abschreckmedium begünstigt. Die zylindrische Fläche 53 kann hierfür poliert sein.
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Die Fixtur 1 weist zur Zuführung von Abschreckmedium Kanäle 4 auf. Eine obere Kanalgruppe 41 wird durch einen Dorn 10 nach oben auf eine Oberseite 9 des Zahnrads 2 geleitet. Eine fluidleitende Verbindung ist durch einen zylindrischen Freiraum 11 zwischen dem Dorn 10 und dem Zahnrad 2 geschaffen. Alternativ weist in einer nicht dargestellten Ausführungsform die Oberseite 9 einen separaten Zuführkanal auf. Der Dorn 10 weist zur Versorgung einer Unterseite 12 des Zahnrads 2 eine zweite Kanalgruppe 42 auf. Die zweite Kanalgruppe 42 wird wieder durch einen Freiraum 13 zwischen dem Dorn 10 und dem Zahnrad 2 geleitet, so dass das Zahnrad 2 auch von innen gekühlt wird. Die zylindrischen Freiräume 11 und 13 sind durch einen Steg 14 voneinander räumlich getrennt. Der Steg 14 hält zudem radial innen das Zahnrad 2 in Position. Es passiert durch den Steg 14 nur eine geringe Leckage vom zylindrischen Freiraum 11 in den zylindrischen Freiraum 13. Die Menge an Leckage durch den Steg 14 kann in einer CFD Simulation analysiert und berücksichtigt werden.
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In 1 sind ferner schematisch Volumenströme an Abschreckmedium in Form von Pfeilen dargestellt. Man erkennt, dass Abschreckmedium, das von der Kanalgruppe 41 zunächst an eine Oberseite 9 gelangt und vom dort durch die Zahnzwischenräume 28 der Zähne 24 hin zu einem außenumfänglichen Freiraum 23 am Zahnrad 2. Es ist ferner ersichtlich, dass Abschreckmedium durch einen Schild 15 in einer Vertiefung 29 am Zahnrad 2 geleitet wird. Dadurch wird die Vertiefung 29 auch sicher mit Abschreckmedium durchspült und es entstehen keine oberflächennahen heißen Stellen.
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Von unten von der Unterseite 12 her strömt Abschreckmedium ebenfalls geleitet durch einen Schild 15 durch eine Vertiefung 29 und von dort durch Zahnzwischenräume 28 zu dem Freiraum 23. Die Schilder 15 an der Oberseite 9 und der Unterseite 12 können gegebenenfalls entsprechend einer nicht dargestellten Variante entfallen, um einen höheren Volumenstrom Q1 oder Q2 zu ermöglichen, sollte die CFD-Simulation ergeben, dass ansonsten nicht genügend Abschreckmedium an die Zahnzwischenräume 28 und den Freiraum 23 gelangt oder das Abschreckmedium bis dahin zu heiß ist.
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Von der Unterseite 12 und von der Oberseite 9 durch die Zahnzwischenräume 28 axial zum Freiraum 23 strömende Volumenströme Q1 und Q2 sollen möglichst identisch sein. Da die Kanalgruppen 41 und 42 einen unterschiedlichen Strömungswiderstand aufweisen und die Schwerkraft den unteren Volumenstrom Q2 begünstigt, aber den oberen ersten Volumenstrom Q1 erschwert, wird zur Erreichung identischer Volumenströme Q1 und Q2 an der Oberseite 9 und der Unterseite 12 eine CFD-Simulation durchgeführt. Anschließend kann beispielsweise über eine Drossel 19 an zumindest eine Kanalgruppe 41 oder 42 ein erhöhter Volumenstrom gedrosselt werden, um den Volumenstrom der jeweils anderen Kanalgruppe 41 oder 42 anzupassen. Um eine Gleichheit der von oben und von unten durch die Zahnflanken 28 strömenden Volumenströme Q1 und Q2 einzustellen kann auch ein Ventil 191 vorgesehen sein. Das Ventil 191 kann in seiner einmal auf bestimmte Volumenströme eingestellten Position verharren. Das Ventil 191 kann auch aktiv vorgesehen sein. Weiterhin kann an den zur Oberseite 9 und zu Unterseite 12 führenden Kanalgruppen 41 und 42 jeweils ein Ventil 191 vorgesehen sein. Über eine CFD-Simulation können die aus Stellungen des Ventils 191 bzw. aus Stellungen der Drossel 19 resultierenden Volumenströme Q1 bzw. Q2 so eingestellt werden, dass von oben durch den ersten Zahnradkranz 21 und von unten durch den zweiten Zahnradkranz 22 fließende Volumenströme Q1 und Q2 gleich sind.
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Von oben und von unten durch die Zahnradkränze 21 und 22 bzw. deren Zahnzwischenräume 28 strömendes Abschreckmedium wird durch den Freiraum 23 zwischen den Zahnkränzen 21, 22 gespült. Hierfür sind an den Segmentringen 31, 32 Krägen 33 und 34 angeordnet. Die Krägen 33 und 34 ragen im geschlossenen Zustand in den Freiraum 23 zwischen den Zahnradkränzen 21 und 22 hinein. Die Krägen 33 und 34 sind mit den Segmenten 51, 52 der Segmentringe 31 und 32 in der Weise verbunden, dass sie im geschlossenen Zustand der Segmentringe einen abdichtenden Übergang zu den dem Zahnrad 2 zugewandten Flächen 53 ausbilden. Hierdurch wird Abschreckmedium durch den Freiraum 23 zwischen den Zahnradkränzen 21 und 22 gespült, wodurch eine definierte Wärmeabfuhr erlaubt wird. Die Segmentringe 31 und 32 sind in einem Abstand zueinander angeordnet, zwischen ihnen kann Abschreckmedium nach außen aus der Aufnahme 3 geleitet werden.
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Die Segmente 51 sind untereinander entsprechend 2 über Federn 17 verbunden. Die Federn drücken die Segmente 51 im auseinander. Sobald der Niederhalter 16 nicht mehr die Segmentringe 31, 32 gegen die Schließringe 61, 62 drückt, spreizen sich infolge der Federn 17 die Segmentringe 31, 32 auseinander und geben das Zahnrad 2 frei. Insbesondere die Krägen 33, 34 gelangen außer Eingriff mit dem Freiraum 23 zwischen den Zahnradkränzen 21 und 22.
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Die Federn 17 sind nur beispielhaft dargestellt. Weitere Federn können vorgesehen sein, zudem können andere Bauformen verwendet werden, zum Beispiel Tellerfedern. Tellerfedern sind flacher und sie können ggf. in eine kurze Vertiefung an einander zugewandten Flächen 18 der Segmente eingebracht sein.
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Die CFD-Simulation kann online während eines Abschreckvorganges durchgeführt werden, um die Volumenströme über Ventile 191 sofort auf einen erhöhten oder verringerten Bedarf einzustellen. Die CFD-Simulation kann auch bei der Einrichtung der Fixtur 1 einmal durchgeführt werden, um die Fixtur 1 auf mehrere identische Zahnräder 1 vorzubereiten. Durch die Gleichheit der Volumenströme Q1 und Q2 wird ein gleichmäßiges Abkühlen sichergestellt. Hierdurch wird ein Verzug des Zahnrads 2 infolge inhomogener Abkühlung vermieden.
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Ggf. müssen Übergänge und eine Kanalführung der Kanalgruppen 41 und 42 in der Fixtur 1 abgerundet werden, um eine Homogenität bzw. Gleichheit der Volumenströme Q1 und Q2 zu ermöglichen. Das heißt neben Ventilen 191 können konstruktive Maßnahmen an der Fixtur 1 notwendig werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, zwei nicht dargestellte Zuführungen an einer Unterseite der Fixtur 1 vorzusehen, in denen ein definierter Druck eingestellt werden kann. Eine erste druckregulierte Zuführung ist fluidleitend mit der ersten Kanalgruppe 41 verbunden. Ein Anstieg des Druckes in der ersten Zuführung führt zu einem erhöhten Volumenstrom Q1 an Abschreckmedium durch die erste Kanalgruppe 41 und damit durch den ersten Zahnradkranz. Analog wird über den Druck in der zweiten Zuführung, die fluidleitend mit der zweiten Kanalgruppe 42 verbunden ist, der Volumenstrom Q2 durch den zweiten Zahnradkranz 22 eingestellt.
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Die CFD-Analyse kann berücksichtigen:
- • eine temperaturabhängige Viskosität des Abschreckmittels in flüssiger und gasförmiger Form
- • eine temperaturabhängige Dichte des Abschreckmittels in flüssiger und gasförmiger Form
- • eine Geometrie der Fixtur und des Zahnrads
- • ein Diffusionsverhalten beim Abkühlen
- • einen druckabhängige Verdampfungstemperatur des Abschreckmittels sowie ferner
- • chemische Eigenschaften des Abschreckmittels (Zersetzung und Interaktion mit dem Material des Werkstücks).
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Das Verfahren weist entsprechend der 3 im Wesentlichen vier Schritte 101 bis 104 auf. In einem ersten Schritt 101 erfolgt das Erfassen einer von Abschreckmedium durchströmten Geometrie der Fixtur 1 und des Zahnrads 2, wobei ein erster Volumenstrom Q1 an Abschreckmedium durch eine erste Kanalgruppe 41 an eine Oberseite 9 des Zahnrads 2 gelangt und von dort durch die Zahnzwischenräume 28 im ersten Zahnradkranz 21 strömt, und wobei ein zweiter Volumenstrom Q2 an Abschreckmedium durch eine zweite Kanalgruppe 42 an eine Unterseite 12 des Zahnrads 2 gelangt und von dort durch Zahnzwischenräume 28 im zweiten Zahnkranz 22 strömt. Die durchströmte Geometrie ist durch Kavitäten gebildet. Die Kavitäten der Geometrie umfassen Kurven und Flächen, die Kanäle 4 bzw. die Kanalgruppen 41, 42. Die Kavitäten der Geometrie umfassen ferner Flächen, die das Zahnrad 2 und die Aufnahme 3 zwischen sich einschließen. Durchströmte Kavitäten sind insbesondere gebildet zwischen den Freiräumen 11 und 13 und der Ausnehmung 20 im Zahnrad, zwischen dem Schild 15 und der Vertiefung 29 an der Oberseite 9 und der Unterseite 12, zwischen benachbarten Zahnzwischenräume 28, sowie der Fläche 53 außerdem zwischen dem Freiraum 23 sowie den Krägen 33, 34. Die im Freiraum 23 zusammenfließende Volumenströme Q1 und Q2 haben ebenfalls einen ohne CFD-Simulation kaum errechenbaren Einfluß auf einen Strömungswiderstand zwischen einem Eingang für Abschreckmedium in die Kanäle 41 und 42 der Fixtur 1 und einem Ausgang für Abschreckmedium nach den Krägen 33, 34.
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In einem zweiten Schritt 102 erfolgt zumindest das Erfassen einer temperaturabhängigen Viskosität einer temperaturabhängigen Dichte und von durch die Geometrie strömenden Abschreckmedium. Möglicherweise werden ferner die oben genannten Eigenschaften des Abschreckmediums ebenfalls berücksichtigt.
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In einem dritten Schritt 103 erfolgt eine CFD-Simulation einer Umströmung des Zahnrads 2 mit Abschreckmedium entsprechend der erfaßten Geometrie und dem Abschreckmedium und Vergleich des ersten Volumenstroms Q1 mit dem zweiten Volumenstrom Q2 mit dem Ziel, einen Druck und einen bereitgestellten Versorgungsvolumenstrom so einzustellen, dass eine jeweilige Drosselwirkung an den unterschiedlichen Fluidpfaden unterschiedlich ist und dementsprechend der Druck an der einen oder anderen Kanalgruppe 41 oder 42 erhöht oder verringert werden muß, um einen geforderten Volumenstrom Q1 oder Q2 erstens an den anderen Volumenstrom Q2 oder Q1 anzupassen und zweitens beide so hoch zu halten, dass eine gewünschte Abkühlrate des Zahnrads 2 erfolgt.
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In einem vierten Schritt 104 erfolgt dementsprechend ein Einstellen von Parametern der Fixtur 1 so, dass der erste Volumenstrom Q1 zu mindestens 90%, insbesondere zu 95%, besonders bevorzugt zu mindestens 99% dem zweiten Volumenstrom Q2 entspricht, um eine gleichmäßige Abkühlung des Zahnrads 2 an seinen Zahnradkränzen 21, 22 zu erzielen.
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Als Parameter zur Justierung der Volumenströme Q1 und Q2 kommen einzeln oder bei Bedarf in Kombination miteinander infrage:
- • eine Ventilstellung eines Ventils 191,
- • das Vorhandensein oder Fehlen einer Drossel 19,
- • ein Druck einer nicht dargestellten jeweiligen Zuführleitung für die Kanalgruppen 41 bzw. 42,
- • eine Eingangstemperatur von Abschreckmedium,
- • eine Viskosität von Abschreckmedium,
- • ein Druckniveau in der Aufnahme 3, das auch am Austritt nicht unterschritten wird, und/oder
- • eine Bearbeitung der Fixtur 1 zur Erreichung geringerer Strömungswiderstände.
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Das Verfahren berücksichtigt mindestens eine Viskosität des Fluids in jedem Aggregatzustand sowie eine Geometrie der Fixtur und des darin befindlichen Zahnrads 2. Vorteilhafterweise berücksichtigt das Verfahren auch eine temperaturabhängige Diffusionsrate am Zahnrad 2. Die Diffusion und eine Tiefe einer Diffusion beispielsweise von Kohlenstoff in das Material des Zahnrads 2 hat einen Einfluß auf die spätere Festigkeit und Homogenität. Das Verfahren ist im einfachsten Fall dazu ausgestaltet, Volumenströme Q1 und Q2 um das Zahnrad 2 herum so einzustellen, dass eine gleichmäßige Abkühlrate beider Zahnradkränze 21 und 22 erzielt wird. In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Diffusion in das Material ebenfalls berücksichtigt. Hierbei werden die Volumenströme Q1 und Q2 so angepaßt, dass eine Diffusion möglich ist und nicht durch das Abschreckmedium infolge zu rascher Abkühlung unterbunden wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fixtur
- 2
- Zahnrad
- 3
- Aufnahme
- 4
- Kanäle
- 6
- Konusabschnitte
- 7
- Konusabschnitte
- 9
- Oberseite
- 10
- Dorn
- 11
- Freiraum
- 12
- Unterseite
- 13
- Freiraum
- 14
- Steg
- 15
- Schild
- 16
- Niederhalter
- 17
- Federn
- 18
- Flächen
- 19
- Drossel
- 20
- Aussparung
- 21
- erster Zahnkranz
- 22
- zweiter Zahnkranz
- 23
- Freiraum
- 24
- Zahn
- 25
- Zahngrund
- 26
- Zahnköpfe
- 27
- Zahnflanken
- 28
- Zahnzwischenraum
- 29
- Vertiefung
- 31
- Segmentring
- 32
- Segmentring
- 33
- Kragen
- 34
- Kragen
- 41
- Kanalgruppe
- 42
- Kanalgruppe
- 61
- Schließring
- 62
- Schließring
- 51
- Segmente
- 52
- Segmente
- 53
- Fläche
- 101
- Schritt
- 102
- Schritt
- 103
- Schritt
- 104
- Schritt
- 191
- Ventil
- A
- Axiale Richtung
- Q1
- Volumenstrom
- Q2
- Volumenstrom
- R
- radiale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4004295 C2 [0002]
- DE 102009004125 A1 [0003]
- EP 2700725 A2 [0004]
