DE102020131362A1

DE102020131362A1 - Verfahren zum herstellen bogenverzahnter stirnräder, stirnrad und stirnradpaarung

Info

Publication number: DE102020131362A1
Application number: DE102020131362.4A
Authority: DE
Inventors: Carsten Hünecke
Original assignee: Klingelnberg AG
Current assignee: Klingelnberg AG
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines bogenverzahnten Stirnrads einer Stirnradpaarung, mit den Verfahrensschritten: Bereitstellen eines Kegelradwerkzeugs, wie eines Stabmesserkopfs, einer Topfschleifscheibe oder dergleichen, an einer Werkzeugspindel einer Kegelradverzahnmaschine; Bereitstellen eines Stirnradrohlings an einer Werkstückspindel der Kegelradverzahnmaschine; Bearbeitung des Stirnradrohlings, in dem das Kegelradwerkzeug spanabhebend mit dem Stirnradrohling in Eingriff gebracht wird und wobei Zähne des bogenverzahnten Stirnrads wälzend erzeugt werden; wobei konkave Flanken der Zähne des bogenverzahnten Stirnrads einen mittleren Spiralwinkel ungleich Null aufweisen, wobei konvexe Flanken der Zähne des bogenverzahnten Stirnrads einen mittleren Spiralwinkel ungleich Null aufweisen und wobei der mittlere Spiralwinkel der konkaven Flanken von dem mittleren Spiralwinkel der konvexen Flanken verschieden ist.

Description

Kegelradverzahnungen werden üblicherweise auf eigens dafür vorgesehenen Werkzeugmaschinen zur Herstellung von Kegelrädern, wie Kegelradfräsmaschinen oder Kegelradschleifmaschinen, gefertigt. Diese Werkzeugmaschinen zur Herstellung von Kegelrädern zeichnen sich durch eine besonders hohe Maschinensteifigkeit aus und ermöglichen sehr präzise Bearbeitungsergebnisse.
Aufgrund der hohen Maschinensteifigkeit eignen sich Werkzeugmaschinen zur Herstellung von Kegelrädern z.B. auch für das Wälzschälen von innen- oder außenverzahnten Zylinderrädern. Einerseits ist das Wälzschälen als kontinuierliches Verfahren mit seinen hohen Schnittgeschwindigkeiten ein hochproduktives Verfahren. Andererseits ergibt sich durch die sich stark verändernden Spanbildungsbedingungen beim Wälzschälen eine sehr hohe Werkzeugbelastung und damit einhergehend vergleichsweise geringe Werkzeugstandzeiten. Das Wälzschälen hat sich für die Herstellung von Stirnrädern daher noch nicht in der Breite durchgesetzt.
Schräg- oder geradverzahnte Stirnradpaarungen werden daher üblicherweise auf eigens dafür vorgesehenen Fräs- und Schleifmaschinen gefertigt, z.B. durch Wälzfräsen und Wälzschleifen. Geradverzahnte Stirnradpaarungen können jedoch grundsätzlich durch bogenverzahnte Stirnradpaarungen, die einen mittleren Spiralwinkel von Null haben, substituiert werden. Bogenverzahnungen besitzen eine Krümmung der Flankenlinie. Es gibt pro Zahn jeweils eine konkav gekrümmte Flanke, die auch konkave Flanke genannt wird, und eine konvex gekrümmte Flanke, die auch konvexe Flanke genannt wird. Bogenverzahnungen weisen einen sich entlang der Zahnbreite ändernden Schrägungswinkel auf, der in diesem Zusammengang auch Spiralwinkel genannt wird, wobei Bogenverzahnungen häufig über den mittleren Schrägungswinkel bzw. den mittleren Spiralwinkel charakterisiert werden.
Bogenverzahnte Stirnradpaarungen, die einen mittleren Spiralwinkel von Null haben (vgl. Stirnrad gemäß 1A), verhalten sich im Wesentlichen wie geradverzahnte Stirnradpaarungen. Dabei wälzen im Eingriff der Stirnradpaarung jeweils eine konkave Flanke des einen Stirnrades mit einer konvexen Flanke des anderen Stirnrades ab. Derartige bogenverzahnte Stirnradpaarungen, die einen mittleren Spiralwinkel von Null haben, lassen sich auf Werkzeugmaschinen zur Herstellung von Kegelrädern mit den entsprechenden Kegelradfräs- oder Schleifwerkzeugen herstellen.
Bogenverzahnte Stirnradpaarungen, die einen mittleren Spiralwinkel von Null haben, lassen sich auf Werkzeugmaschinen zur Herstellung von Kegelrädern mit bekannten Kegelradwerkzeugen, wie Stabmesserköpfen und Topfschleifscheiben, z.B. im Completing-Verfahren herstellen. Beim Completing-Verfahren werden die konkave und konvexe Flanke einer Zahnlücke im Zweiflankenschnitt gleichzeitig hergestellt. Das Completing-Verfahren wird aufgrund seiner hohen Effizienz häufig für die Fertigung großer Stückzahlen eingesetzt.
Die konkaven Flanken werden beim Completing-Verfahren mit Außenschneiden eines Werkzeugs erzeugt. Die konvexen Flanken werden beim Completing-Verfahren mit Innenschneiden des Werkzeugs erzeugt. D.h. der Werkzeugradius der Außenschneiden, mit dem die konkaven Flanken erzeugt werden, ist größer als der Werkzeugradius der Innenschneiden, mit dem die konvexen Flanken erzeugt werden (vgl. 1B).
Soweit bogenverzahnte Stirnräder einer Stirnradpaarung einen mittleren Spiralwinkel von Null haben, wird im Completing-Verfahren durch die Differenz der Werkzeugradien eine Breitenballigkeit, jedoch keine Spiralwinkelabweichung erzeugt. D.h. sowohl die konvexen als auch die konkaven Flanken beider Stirnräder der Stirnradpaarung haben die gleichen mittleren Spiralwinkel (Null).
Schrägverzahnte Stirnradpaarungen könnten grundsätzlich durch bogenverzahnte Stirnradpaarungen, die einen mittleren Spiralwinkel ungleich Null haben, substituiert werden. Untersuchungen der Anmelderin haben jedoch gezeigt, dass es nicht möglich ist, lauffähige bogenverzahnte Stirnradpaarungen, die einen mittleren Spiralwinkel ungleich Null haben, im Completing-Verfahren herzustellen. Denn aufgrund der Differenz der Werkzeugradien für die konkaven und konvexen Flanken entstehen im Completing-Verfahren Spiralwinkelabweichungen, die nicht mit Maschineneinstellungen korrigiert werden können. Soweit aufgrund der Radiendifferenz z.B. die konvexe Flanke einen mittleren Spiralwinkel von 20,8° aufweist und die konkave Flanke einen mittleren Spiralwinkel von 19,2°, ist es nicht möglich, im Completing-Verfahren an einem zugeordneten Gegenrad einen mittleren Spiralwinkel von 20,8° an der konkaven und einen mittleren Spiralwinkel von 19,2° an der konvexen Flanke zu erzeugen. Denn es ist grundsätzlich nicht möglich, im Completing-Verfahren mit Innenschneiden des Werkzeugs kleinere mittlere Spiralwinkel zu erzeugen als mit den Außenschneiden.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine effiziente Herstellung eines bogenverzahnten Stirnrads einer Stirnradpaarung mit einem mittleren Spiralwinkel ungleich Null ermöglicht. Weiter sollen ein Verfahren zum Herstellen einer Stirnradpaarung, ein Stirnrad und eine Stirnradpaarung angegeben werden.
Die voranstehend beschriebene, technische Problemstellung wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines bogenverzahnten Stirnrads einer Stirnradpaarung, mit den Verfahrensschritten: Bereitstellen eines Kegelradwerkzeugs, wie eines Stabmesserkopfs, einer Topfschleifscheibe oder dergleichen, an einer Werkzeugspindel einer Kegelradverzahnmaschine; Bereitstellen eines Stirnradrohlings an einer Werkstückspindel der Kegelradverzahnmaschine; Bearbeitung des Stirnradrohlings, in dem das Kegelradwerkzeug spanabhebend mit dem Stirnradrohling in Eingriff gebracht wird und wobei Zähne des bogenverzahnten Stirnrads wälzend erzeugt werden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass konkave Flanken der Zähne des bogenverzahnten Stirnrads einen mittleren Spiralwinkel ungleich Null aufweisen, dass konvexe Flanken der Zähne des bogenverzahnten Stirnrads einen mittleren Spiralwinkel ungleich Null aufweisen und dass der mittlere Spiralwinkel der konkaven Flanken von dem mittleren Spiralwinkel der konvexen Flanken verschieden ist.
Es wird gezielt ein abweichender mittlerer Spiralwinkel für die konvexen und für die konkaven Flanken des Stirnrads der Stirnradpaarung erzeugt. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine besonders hohe Flexibilität für die Fertigung des bogenverzahnten Stirnrads und der bogenverzahnten Stirnradpaarung insgesamt. So können sowohl ein erstes bogenverzahntes Stirnrad einer bogenverzahnten Stirnradpaarung als auch ein zweites bogenverzahntes Stirnrad einer bogenverzahnten Stirnradpaarung im Semi-Completing-Verfahren hergestellt werden. Alternativ kann ein erstes bogenverzahntes Stirnrad einer bogenverzahnten Stirnradpaarung im Semi-Completing-Verfahren hergestellt werden und ein zweites bogenverzahntes Stirnrad einer bogenverzahnten Stirnradpaarung im Completing- Verfahren hergestellt werden.
Bogenverzahnt bedeutet, wie eingangs bereits erwähnt, dass die Zähne einen sich ändernden Schrägungswinkel haben, der auch Spiralwinkel genannt wird. Während eine klassisch Schrägverzahnung einen konstanten Schrägungswinkel hat, so dass sich die Flankenlinien im einfachsten Fall (keine Balligkeiten, keine Rücknahmen etc.) durch Geraden beschreiben lassen, sind die Flankenlinien einer Bogenverzahnung insbesondere Kreisbögen.
Beispielsweise kann das bogenverzahnte Stirnrad der bogenverzahnten Stirnradpaarung im Semi-Completing-Verfahren hergestellt werden. Beim Semi-Completing-Verfahren werden die konkaven und die konvexen Flanken separat voneinander mit separaten Maschineneinstellungen bearbeitet. So kann vorgesehen sein, dass für die Herstellung der konkaven Flanken erste Maschineneinstellungen der Kegelradverzahnmaschine vorgegeben sind und dass für die Herstellung der konvexen Flanken zweite Maschineneinstellungen der Kegelradverzahnmaschine vorgegeben sind, wobei sich die ersten Maschineneinstellungen von den zweiten Maschineneinstellungen unterscheiden. Mit den ersten Maschineneinstellungen wird daher der mittlere Spiralwinkel der konkaven Flanken erzeugt und mit den zweiten Maschineneinstellungen wird der mittlere Spiralwinkel der konvexen Flanken erzeugt.
Die konkaven und konvexen Flanken können beim Semi-Completing-Verfahren beispielsweise mit ein- und demselben Werkzeug bearbeitet werden, wie einem Stabmesserkopf oder einer Topfschleifscheibe. Ein Stabmesserkopf kann Innenschneiden für die konvexen Flanken und Außenschneiden für die konkaven Flanken aufweisen. Eine Topfschleifscheibe kann eine innere Schleiffläche für die konvexen Flanken und eine äußere Schleiffläche für die konkaven Flanken aufweisen.
Die Innenschneiden und die Außenschneiden können z.B. an separaten Stabmessern eines Stabmesserkopfs vorgesehen sein. In diesem Fall wird auch von Innenmessern, die die Innenschneiden aufweisen, und Außenmessern, die die Außenschneiden aufweisen, gesprochen. Alternativ kann ein jeweiliges Stabmesser sowohl eine Innenschneide als auch eine Außenschneide aufweisen, wobei in diesem Fall von einem Vollmesser oder vollschneidendes Messer gesprochen wird. Die konkaven und konvexen Flanken können beim Semi-Completing-Verfahren auch mit separaten Werkzeugen bearbeitet werden. So könnte ein erster Stabmesserkopf zur Bearbeitung der konkaven Flanken und ein weiterer Stabmesserkopf zur Bearbeitung der konvexen Flanken vorgesehen sein. Auch könnte eine erste Topfschleifscheibe zur Bearbeitung der konkaven Flanken und eine weitere Topfschleifscheibe zur Bearbeitung der konvexen Flanken vorgesehen sein. Bevorzugt werden die konkaven und konvexen Flanken beim Semi-Completing-Verfahren aus Effizienzgründen mit ein- und demselben Werkzeug bearbeitet, so dass die Bearbeitung mit separaten Werkzeugen nur in Ausnahmefällen erfolgt.
Alternativ kann das bogenverzahnte Stirnrad der bogenverzahnten Stirnradpaarung im Completing-Verfahren hergestellt werden. Beim Completing-Verfahren werden die konvexen und die konkaven Flanken gleichzeitig erzeugt, so dass eine gemeinsame Maschineneinstellung sowohl für das Herstellen des mittleren Spiralwinkels der konkaven Flanken als auch für das Herstellen des mittleren Spiralwinkels der konvexen Flanken verwendet wird. Dadurch, dass die konkaven und die konvexen Flanken gleichzeitig erzeugt werden, kann das bogenverzahnte Stirnrad der Stirnradpaarung effizient im Completing-Verfahren gefertigt werden.
Die konkaven und konvexen Flanken können beim Completing-Verfahren beispielsweise mit ein- und demselben Werkzeug bearbeitet werden, wie einem Stabmesserkopf oder einer Topfschleifscheibe. Ein Stabmesserkopf kann Innenschneiden für die konvexen Flanken und Außenschneiden für die konkaven Flanken aufweisen. Eine Topfschleifscheibe kann eine innere Schleiffläche für die konvexen Flanken und eine äußere Schleiffläche für die konkaven Flanken aufweisen.
Die Innenschneiden und die Außenschneiden können z.B. an separaten Stabmessern eines Stabmesserkopfs vorgesehen sein. In diesem Fall wird auch von Innenmessern, die die Innenschneiden aufweisen, und Außenmessern, die die Außenschneiden aufweisen, gesprochen. Alternativ kann ein jeweiliges Stabmesser sowohl eine Innenschneide als auch eine Außenschneide aufweisen, wobei in diesem Fall von einem Vollmesser bzw. einem vollschneidenden Messer gesprochen wird.
Wenn vorliegend von einer Stirnradpaarung gesprochen wird, so ist diese in bekannten Weise zur Über- bzw. Untersetzung von Drehzahlen und Drehmomenten zwischen parallelen Achsen bzw. parallelen Zahnradwellen eingerichtet und vorgesehen.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Stirnradpaarung, mit den Verfahrensschritten: Herstellen eines ersten bogenverzahnten Stirnrads der Stirnradpaarung gemäß dem voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines bogenverzahnten Stirnrads im Semi-Completing-Verfahren; Herstellen eines zweiten bogenverzahnten Stirnrads der Stirnradpaarung gemäß dem voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines bogenverzahnten Stirnrads im Semi-Completing-Verfahren oder im Completing-Verfahren; wobei der mittlere Spiralwinkel der konvexen Flanken des ersten Stirnrads dem mittleren Spiralwinkel der konkaven Flanken des zweiten Stirnrads entspricht und/oder wobei der mittlere Spiralwinkel der konkaven Flanken des ersten Stirnrads dem mittleren Spiralwinkel der konvexen Flanken des zweiten Stirnrads entspricht.
Das erste bogenverzahnte Stirnrad und das zweite bogenverzahnte Stirnrad unterscheiden sich in ihrer Spiralrichtung, so dass das erste bogenverzahnte Stirnrad als rechtssteigend und das zweite bogenverzahnte Stirnrad als linkssteigend bezeichnet werden kann, oder umgekehrt.
Bevorzugt wird das zweite bogenverzahnte Stirnrad im Completing-Verfahren hergestellt, so dass bevorzugt ein Verfahren zum Herstellen einer Stirnradpaarung angegeben wird, mit den Verfahrensschritten: Herstellen eines ersten bogenverzahnten Stirnrads der Stirnradpaarung gemäß dem voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Stirnrads im Semi-Completing-Verfahren; Herstellen eines zweiten bogenverzahnten Stirnrads der Stirnradpaarung gemäß dem voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Stirnrads im Completing-Verfahren; wobei der mittlere Spiralwinkel der konvexen Flanken des ersten Stirnrads dem mittleren Spiralwinkel der konkaven Flanken des zweiten Stirnrads entspricht und/oder wobei der mittlere Spiralwinkel der konkaven Flanken des ersten Stirnrads dem mittleren Spiralwinkel der konvexen Flanken des zweiten Stirnrads entspricht. So kann zumindest eines der Stirnräder der bogenverzahnten Stirnradpaarung im effizienten Completing-Verfahren hergestellt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das erste bogenverzahnte Stirnrad eine geringere Zähnezahl aufweist als das zweite bogenverzahnte Stirnrad. Insbesondere kann das erste bogenverzahnte Stirnrad mit der geringeren Zähnezahl als Ritzel bezeichnet werden. Das zweite bogenverzahnte Stirnrad mit der höheren Zähnezahl kann als Rad bezeichnet werden. Insbesondere wird das Rad im Completing-Verfahren hergestellt während das Ritzel im Semi-Completing-Verfahren hergestellt wird. So kann der Effizienz-Vorteil des Completing-Verfahrens durch dessen Verwendung für das Zahnrad mit der höheren Zähnezahl voll ausgeschöpft werden.
Für alle voranstehend genannten Verfahren gilt, dass die Zähne einzelteilend erzeugt werden können. Einzelteilend bedeutet, dass die Lücken sequentiell in das betreffende Stirnrad eingebracht werden. D.h. das Werkzeug taucht in die zu fertigende Lücke bis auf volle Zahntiefe ein und wird dann aus der Lücke bewegt. Anschließend wird der Stirnradrohling bzw. das Werkstück um den Betrag einer Zahnteilung rotiert und die nächste Lücke wird gefertigt. Demgegenüber rotieren beim kontinuierlichen Teilverfahren das Werkzeug und das Werkstück kontinuierlich in einer gekoppelten Bewegung, wobei aufeinanderfolgende Messergruppen eines Werkzeugs einzelne Schnitte in aufeinanderfolgende Zahnlücken einbringen, so dass beim Erreichen der vollen Zahntiefe alle Zahnlücken gefertigt sind. Es kann vorgesehen sein, dass die beanspruchten Verfahren im kontinuierlichen Teilverfahren durchgeführt werden - bevorzugt wird jedoch das Einzelteilen verwendet, da dies die Prozess- und Werkzeugauslegung vereinfacht. Da das kontinuierliche Teilverfahren kürzere Zykluszeiten ermöglicht, ist die Verwendung des kontinuierlichen Teilverfahrens insbesondere für die Fertigung sehr großer Stückzahlen sinnvoll, die den höheren Aufwand der Prozess- und Werkzeugauslegung kompensieren.
Für alle voranstehend genannten Verfahren gilt, dass eine Profilverschiebungssumme ungleich Null beim Bestimmen der Spiralwinkel für die konvexe und die konkave Flanke berücksichtigt werden sollte, da es in diesem Fall Unterschiede zwischen dem Teilkreis und dem Wälzkreis geben kann.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Stirnrad, wobei das Stirnrad bogenverzahnt ist. Das Stirnrad zeichnet sich dadurch aus, dass konkave Flanken der Zähne des Stirnrads einen mittleren Spiralwinkel ungleich Null aufweisen, dass konvexe Flanken der Zähne des Stirnrads einen mittleren Spiralwinkel ungleich Null aufweisen und dass der mittlere Spiralwinkel der konkaven Flanken von dem mittleren Spiralwinkel der konvexen Flanken verschieden ist.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung eine Stirnradpaarung, mit einem ersten Stirnrad und mit einem zweiten Stirnrad, wobei das erste Stirnrad ein erfindungsgemäßes Stirnrad ist, wobei das zweite Stirnrad ein erfindungsgemäßes Stirnrad ist und wobei der mittlere Spiralwinkel der konvexen Flanken des ersten Stirnrads dem mittleren Spiralwinkel der konkaven Flanken des zweiten Stirnrads entspricht und/oder der mittlere Spiralwinkel der konkaven Flanken des ersten Stirnrads dem mittleren Spiralwinkel der konvexen Flanken des zweiten Stirnrads entspricht. Wiederum kann eines der Stirnräder als rechtssteigend und eines der Stirnräder als linkssteigend bezeichnet werden, da die Stirnräder eine gegensinnig orientierte Spiralrichtung aufweisen.
Die Stirnradpaarung kann eine Evolventenverzahnung aufweisen.
Die Stirnradpaarung kann eine Profilverschiebungssumme ungleich Null aufweisen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen jeweils schematisch:

1A ein bogenverzahntes Stirnrad mit einem mittleren Spiralwinkel von Null;
1B ein Werkzeug beim Erzeugen der konkaven und konvexen Flanken des bogenverzahnten Stirnrads aus 1A im Completing-Verfahren;
1C ein Stabmesser eines Stabmesserkopfs im Schneidkontakt beim Erzeugen von Zähnen des bogenverzahnten Stirnrads gemäß 1A;
2A ein erfindungsgemäßes bogenverzahntes Stirnrad mit einem mittleren Spiralwinkel ungleich Null;
2B ein Werkzeug beim Erzeugen der konkaven und konvexen Flanken des bogenverzahnten Stirnrads aus 2A im Completing-Verfahren;
3A Erzeugen der konkaven Flanken eines erfindungsgemäßes bogenverzahnten Stirnrads im Semi-Completing-Verfahren;
3B Erzeugen der konvexen Flanken des bogenverzahnten Stirnrads aus 3A im Semi-Completing-Verfahren;
4A eine Stirnradpaarung mit einem Rad und mit einem Ritzel mit Spiralwinkelabweichung;
4B ein erfindungsgemäße Stirnradpaarung.

1A zeigt ein bogenverzahntes Stirnrad 2 mit einem mittleren Spiralwinkel β_m von Null. Das bogenverzahnte Stirnrad 2 wird gemäß 1 B und 1C im Completing-Verfahren durch eine Bearbeitung mit einem Stabmesserkopf 4 in einer Kegelradfräsmaschine hergestellt. Solange noch nicht alle Zähne fertiggestellt sind, wird von einem Stirnradrohling 2 gesprochen. Vorliegend werden sowohl ein jeweiliger Stirnradrohling als auch ein fertig bogenverzahntes Stirnrad mit demselben Bezugszeichen bezeichnet - dies gilt auch für alle weiteren nachfolgenden Figuren.
Der Stabmesserkopf 4 hat einen Grundkörper 6 und eine Mehrzahl von an dem Grundkörper 6 gehaltenen, umfangsseitig verteilt angeordneten Stabmessern 8, wobei vorliegend lediglich ein Stabmesser 8 exemplarisch gezeigt ist. Zur besseren Übersichtlichkeit zeigt 1 B ein Stabmesser 8 nach dem Durchlaufen einer Lücke und 1C ein Stabmesser 8 in einer Lücke zwischen zwei Zähnen 10.Der Stabmesserkopf 4 rotiert während des Zerspanens um eine Werkzeugachse W1, die parallel zu einer x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems x-y-z orientiert ist. Auf diese Weise wird eine Schnittgeschwindigkeit V erzeugt (vgl. 1C). So bilden die rotierenden Messer 8 eine bogenverzahnte Zahnstange, die zum Erzeugen von Zähnen 10 mit evolventischem Profil mit dem Stirnradrohling 2 abwälzt.
Es werden daher evolventische Zähne 10 erzeugt, in dem der Stirnradrohling 2 um seine parallel zur y-Achse orientierte Werkstückachse W2 rotiert und das rotierende Werkzeug 4 in negativer z-Richtung verschoben wird (1C). Die Wälzrichtung kann jedoch auch umgekehrt werden.
Vorliegend werden konkave Flanken 12 und konvexe Flanken 14 der Zähne gleichzeitig geschnitten. D.h. Außenschneiden 16 der Stabmesser 8 erzeugen die konkaven Flanken 12, während Innenschneiden 18 der Stabmesser 8 die konvexen Flanken 14 der Zähne 10 erzeugen. Die Stabmesser 8 sind im vorliegenden Beispiel daher Vollmesser 8 und weisen jeweils sowohl eine Innenschneide 18 als auch eine Außenschneide 16 auf. Gemäß alternativer Ausgestaltungen könnte der Stabmesserkopf 4 jedoch auch separate Außenmesser 8.1 und separate Innenmesser 8.2 aufweisen. In diesem Fall wäre an jedem Außenmesser 8.1 jeweils eine Außenschneide und an jedem Innenmesser 8.2 jeweils eine Innenschneide vorgesehen.
Ein weiteres Stirnrad 20 kann als Gegenrad 20 für das Stirnrad 2 in analoger Weise erzeugt werden, so dass die Stirnräder 2, 20 eine bogenverzahnte Stirnradpaarung bilden, die einen mittlere Spiralwinkel von Null hat. Da der Werkzeugradius R2 der Außenschneiden 16 größer ist als der Werkzeugradius R1 der Innenschneiden, ergibt sich eine Breitenballigkeit.
Eine Normale n12, die senkrecht auf der konkaven Zahnflanke 12 steht, und eine Normale n14 die senkrecht auf der konvexen Zahnflanke 14 steht, liegen auf einer gemeinsamen Geraden parallel zur Ebene x-z.
2A zeigt ein erfindungsgemäßes, bogenverzahntes Stirnrad 22 mit einem mittleren Spiralwinkel β_m ungleich Null. Das bogenverzahnte Stirnrad 22 wird gemäß 2B im Completing-Verfahren durch eine Bearbeitung mit einem Stabmesserkopf 24 hergestellt. Die wälzende Bearbeitung erfolgt analog zu dem mit Bezug zu 1A, 1B und 1C beschriebenen Beispiel, hier jedoch mit dem Messerkopf 24 als bogenverzahnter Zahnstange zum Erzeugen evolventischer Zähne 26.
Konkave Flanken 28 der Zähne 26 des bogenverzahnten Stirnrads 22 weisen einen mittleren Spiralwinkel β_m1 ungleich Null auf. Konvexe Flanken 30 der Zähne 26 des bogenverzahnten Stirnrads 22 weisen einen mittleren Spiralwinkel β_m2 ungleich Null auf. Der mittlere Spiralwinkel β_m1 der konkaven Flanken 28 ist von dem mittleren Spiralwinkel β_m2 der konvexen Flanken 30 verschieden. Der mittlere Spiralwinkel β_m1 der konkaven Flanken 28 ist kleiner als der mittlere Spiralwinkel β_m2 der konvexen Flanken 30. Eine Normale n30 der Zahnflanke 30 und eine Normale n28 der Zahnflanke 28 schließen daher mit der x-z-Ebene unterschiedliche Winkel ein.
Ein zu dem bogenverzahnten Stirnrad 22 passendes bogenverzahntes Stirnrad 32 wird im Semi-Completing-Verfahren erzeugt (3A, 3B). Dabei werden konkave Flanken 34 des Stirnrads 32 mit ersten Maschineneinstellungen erzeugt (3A). Konvexe Flanken 36 des Stirnrads 32 werden mit zweiten Maschineneinstellungen erzeugt, die von den ersten Maschineneinstellungen verschieden sind (3B). Ein Messerkopf 38 durchwälzt jede Lücke daher mindestens zwei Mal, um sowohl die konkave als auch die konvexe Flanke einer jeweiligen Lücke herzustellen.
Die konkaven Flanken 34 weisen den mittleren Spiralwinkel β_m2 auf. Die konvexen Flanken 36 weisen den mittleren Spiralwinkel β_m1 auf. Die schematischen Darstellungen gemäß 3A und 3B sind extreme Übertreibungen der tatsächlichen geometrischen Verhältnisse, um den Effekt der Anpassung der mittleren Spiralwinkel im Semi-Completing-Verfahren zu veranschaulichen. Tatsächlich ändert sich die Lückenweite lediglich um wenige Mikrometer, was jedoch bei maßstabsgetreuer Darstellung mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen wäre.
Durch die Anpassung der Spiralwinkel kann eine Stirnradpaarung 40, die aus dem Stirnrad 22 und dem Stirnrad 32 besteht, zuverlässig abwälzen (4B). So haben z.B. die einander zugeordneten Zahnflanken 28, 36 gleiche mittlere Spiralwinkel β_m1 und die Normalen n28, n36 der Zahnflanken 28, 36 liegen im Zahneingriff in der Zahnmitte auf einer gemeinsamen Geraden G (4B). 4C zeigt die Stirnradpaarung 40 in einer Seitenansicht.
Würde auch das Stirnrad 32 im Completing-Verfahren hergestellt werden, würde sich eine Spiralwinkelabweichung ergeben, die sich im Completing-Verfahren nicht durch Maschineneinstellungen ausgleichen lässt. Ein solches Stirnrad mit Spiralwinkelabweichung ist in 4A mit 42 bezeichnet. Die Normalen n28, n42 auf den einander zugeordneten Zahnflanken liegen im Gegensatz zu 4B nicht auf einer Geraden, so dass kein zuverlässiges Abwälzen möglich ist oder sich ein sehr stark außermittiges Tragbild beim Abwälzen ergibt.
Für die Berechnung der Maschineneinstellungen, die die Relativbewegungen zwischen dem Werkzeug, z.B. dem Messerkopf 24, und dem Werkstück, z.B. dem Stirnrad 22, innerhalb einer Werkzeugmaschine zur Kegelradherstellung vorgeben, gibt es verschiedene Möglichkeiten der Bestimmung, wobei eine Möglichkeit im Folgenden beschrieben wird:
Ist für die konkave Flanke 28 des im Completing-Verfahren zu erzeugenden Stirnrads 22 die Lage des Mittelpunkts MP des Werkzeugs 24 zum Werkstück 22 und der erzeugende Werkzeugradius bekannt, so können die Lage des Flankenpunktes in Zahnmitte und dessen Normale n28 sowie der mittlere Spiralwinkel β_m1 auf der konkaven Flanke 28 des Stirnrades 22 bestimmt werden.
Soll nun eine konvexe Flanke 36 am Stirnrad 32, das mit dem Stirnrad 22 die Stirnradpaarung 40 bildet, mit dem gleichen mittleren Spiralwinkel β_m1 erzeugt werden, so kann aus der Lage des Flankenpunktes und seiner Normalen sowie dem erzeugenden Werkzeugradius der konvexen Flanke die Lage des Werkzeugs 38 zum Stirnrad 32 so bestimmt werden, dass der mittlere Spiralwinkel β_m1 an der konvexen Flanke 36 des Stirnrads 32 mit dem mittleren Spiralwinkel β_m1 der konkaven Flanke 28 am Stirnrad 22 übereinstimmt. Die Normalen n28 und n36 liegen dann auf der einer gemeinsamen Geraden. Das gleiche Vorgehen ist für die konvexe Flanke 30 des Stirnrads 22 und die zugeordnete konkave Flanke 34 des Stirnrads 32 anwendbar.
Zwischen den einander zugeordneten Zahnflanken ergibt sich durch die genannten Fertigungsverfahren eine Breitenballigkeit.
Der mittlere Spiralwinkel kann in einem Auslegungspunkt auf der Zahnmitte eines Zahns bestimmt werden. Soweit Modifikationen, wie z.B. eine Flankenlinien-Winkelabweichung F_Hβ oder dergleichen vorgesehen sind, kann der Punkt, für den der mittlere Spiralwinkel bestimmt wird, aus der Mitte der Zahnflanke verschoben sein. In diesem Fall werden jedoch wiederum die mittleren Spiralwinkel der konvexen Flanke des Ritzels an den mittleren Spiralwinkel der konkaven Flanke des Rads angepasst, und umgekehrt, jedoch dann bezogen auf diesen aus der Mitte verschobenen Punkt.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines bogenverzahnten Stirnrads einer Stirnradpaarung, mit den Verfahrensschritten: - Bereitstellen eines Kegelradwerkzeugs (24, 38), wie eines Stabmesserkopfs, einer Topfschleifscheibe oder dergleichen, an einer Werkzeugspindel einer Kegelradverzahnmaschine; - Bereitstellen eines Stirnradrohlings (22, 32) an einer Werkstückspindel der Kegelradverzahnmaschine; - Bearbeitung des Stirnradrohlings (22, 32), in dem das Kegelradwerkzeug spanabhebend mit dem Stirnradrohling (22, 32) in Eingriff gebracht wird und wobei Zähne des bogenverzahnten Stirnrads (22, 32) wälzend erzeugt werden; dadurch gekennzeichnet, - dass konkave Flanken (28, 34) der Zähne des bogenverzahnten Stirnrads (22, 32) einen mittleren Spiralwinkel (β_m1, β_m2) ungleich Null aufweisen, - dass konvexe Flanken (30, 36) der Zähne des bogenverzahnten Stirnrads (22, 32) einen mittleren Spiralwinkel (β_m1, β_m2) ungleich Null aufweisen und - dass der mittlere Spiralwinkel (β_m1, β_m2) der konkaven Flanken (28, 34) von dem mittleren Spiralwinkel (β_m1, β_m2) der konvexen Flanken verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass das bogenverzahnte Stirnrad (32) im Semi-Completing-Verfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass das bogenverzahnte Stirnrad (22) im Completing-Verfahren hergestellt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Stirnradpaarung, mit den Verfahrensschritten: - Herstellen eines ersten bogenverzahnten Stirnrads (32) der Stirnradpaarung (40) gemäß einem Verfahren nach Anspruch 2, - Herstellen eines zweiten bogenverzahnten Stirnrads (22) der Stirnradpaarung gemäß einem Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, - wobei der mittlere Spiralwinkel (β_m1) der konvexen Flanken (36) des ersten Stirnrads (32) dem mittleren Spiralwinkel (β_m1) der konkaven Flanken (28) des zweiten Stirnrads (22) entspricht und/oder - wobei der mittlere Spiralwinkel (β_m2) der konkaven Flanken (34) des ersten Stirnrads (32) dem mittleren Spiralwinkel (β_m2) der konvexen Flanken (30) des zweiten Stirnrads entspricht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, - dass das erste bogenverzahnte Stirnrad (32) eine geringere Zähnezahl aufweist als das zweite bogenverzahnte Stirnrad (22).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass das die Zähne einzelteilend erzeugt werden.
Stirnrad, - wobei das Stirnrad (22, 32) bogenverzahnt ist, dadurch gekennzeichnet, - dass konkave Flanken (28, 34) der Zähne des Stirnrads einen mittleren Spiralwinkel (β_m1, β_m2) ungleich Null aufweisen, - dass konvexe Flanken (30, 36) der Zähne des bogenverzahnten Stirnrads einen mittleren Spiralwinkel (β_m1, β_m2) ungleich Null aufweisen und - dass der mittlere Spiralwinkel (β_m1, β_m2) der konkaven Flanken (28, 34) von dem mittleren Spiralwinkel (β_m1, β_m2) der konvexen Flanken (30, 36) verschieden ist.
Stirnradpaarung, - mit einem ersten Stirnrad (32) und mit einem zweiten Stirnrad (22), - wobei das erste Stirnrad (32) ein Stirnrad gemäß Anspruch 7 ist, - wobei das zweite Stirnrad (22) ein Stirnrad gemäß Anspruch 7 ist und - wobei der mittlere Spiralwinkel (β_m1) der konvexen Flanken (36) des ersten Stirnrads (32) dem mittleren Spiralwinkel (β_m1) der konkaven Flanken (28) des zweiten Stirnrads (22) entspricht und/oder - der mittlere Spiralwinkel (β_m2) der konkaven Flanken (34) des ersten Stirnrads (32) dem mittleren Spiralwinkel (β_m2) der konvexen Flanken (30) des zweiten Stirnrads (22) entspricht.