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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Differentialgehäuses mit mindestens einem spanend bearbeiteten Lagerkörper und mit einer spanend bearbeiteten Verzahnung.
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Aus der japanischen Offenlegungsschrift
JP 2008223126 A ist ein Verfahren zum Herstellen eines Zahnrads aus Gusseisen mit Kugelgraphit bekannt, wobei der duktile Gusseisenwerkstoff spanabhebend bearbeitet und anschließend wärmebehandelt wird. Aus der europäischen Patentschrift
EP 1 963 717 B1 ist ein Differentialgehäuse bekannt, umfassend eine Gehäuseglocke, einen Gehäusedeckel und ein Antriebszahnrad, wobei die Gehäuseglocke und der Gehäusedeckel mittels einer durch mehrere Niete hergestellten Nietverbindung miteinander verbunden sind, wobei die Niete der Nietverbindung einteilig am Gehäusedeckel oder an der Gehäuseglocke angeformt sind und wobei das Antriebszahnrad mittels der angeformten Niete drehfest zwischen Gehäusedeckel und Gehäuseglocke befestigt ist.
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Die
JP H09-229 162 A offenbart ein Differential, das die Antriebskraft des Motors von der Ausgangswelle des Getriebes über ein Differentialgetriebe, das in einem Differentialgehäuse angeordnet ist, das sich einstückig mit dem Zahnkranz dreht, auf die Radantriebswelle überträgt, wobei das Differentialgehäuse und der Zahnkranz einstückig aus demselben Material geformt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Differentialgehäuse mit mindestens einem spanend bearbeiteten Lagerkörper und mit einer spanend bearbeiteten Verzahnung, herstellungstechnisch und/oder funktionell zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Herstellen eines Differentialgehäuses mit mindestens einem spanend bearbeiteten Lagerkörper und mit einer spanend bearbeiteten Verzahnung, dadurch gelöst, dass das Differentialgehäuse mit dem Lagerkörper und der Verzahnung aus einen Sphärogussmaterial gegossen wird, bevor das Differentialgehäuse mit dem Lagerkörper und der Verzahnung spanend bearbeitet wird. Bei der Verzahnung handelt es sich vorzugsweise um eine Stirnradverzahnung. Das Differentialgehäuse kann so oder so ähnlich ausgeführt sein wie ein herkömmliches Differentialgehäuse. Ein wesentlicher Punkt ist, dass die Einzelteile des Differentialgehäuses, also der oder die Lagerkörper, die Verzahnung und zum Beispiel eine Glocke in dem aus dem Sphärogussmaterial gegossenen Differentialgehäuse einstückig miteinander verbunden sind. Durch die Ausführung des Differentialgehäuses als Gussteil vereinfacht sich die Herstellung einer komplexen Geometrie des Differentialgehäuses. Darüber hinaus hat das verwendete Sphärogussmaterial eine geräuschdämpfende Wirkung im Betrieb des Differentialgehäuses. Bei dem Sphärogussmaterial handelt es sich um ein Gusseisenmaterial, das Kugelgraphit enthält. Zur Herstellung des Differentialgehäuses wird vorzugsweise ein Sphärogussmaterial mit der Kurzbezeichnung GJS 700, GJS 800 oder GJS 900 verwendet. Das gegossene Differentialgehäuse wird erfindungsgemäß spanend bearbeitet, nämlich weichgedreht, und gewaschen. Das gegossene Rohteil ist zunächst relativ weich und wird auch als Grünteil bezeichnet. Analog wird eine spanende Bearbeitung des Rohteils durch Drehen auch als Weichdrehen bezeichnet. Beim Waschen werden die bei der spanenden Bearbeitung entstandenen Späne entfernt.
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In einer spanenden Vorbearbeitung wird die Verzahnung spanend erzeugt, zum Beispiel durch Verzahnungsfräsen. Die spanende Vorbearbeitung findet sowohl in einem Fußbereich als auch in einem Flankenbereich der Verzahnung statt. Die Vorbearbeitung des Grünteils und im speziellen der Verzahnung endet im Wesentlichen nach dem Weichdrehen und Waschen mit dem Verzahnungsfräsen.
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In drei unterschiedlichen Ausführungsvarianten wird der Fußbereich der Verzahnung bereits in der spanenden Vorbearbeitung fertiggestellt. Der Flankenbereich wird in der spanenden Vorbearbeitung mit einem Aufmaß erzeugt, das später in einer Nachbearbeitung entfernt wird. Das Fertigstellen des Fußbereichs der Verzahnung in der spanenden Vorbearbeitung liefert Festigkeitsvorteile, insbesondere bei einer Nachbearbeitung der Verzahnung in dem Fußbereich, zum Beispiel durch Härten, insbesondere Doppelfrequenzhärten und/oder bei einer Festigkeitsstrahloperation.
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Bei einer vierten Variante des Verfahrens wird auch der Fußbereich der Verzahnung in der spanenden Vorbearbeitung mit einem Aufmaß vorbearbeitet. Bei dieser vierten Variante wird das Aufmaß im Fußbereich und im Flankenbereich der Verzahnung vor der Fertigstellung des Differentialgehäuses entfernt.
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Die Verzahnung wird vorteilhaft induktiv gehärtet. Die Verzahnung wird vorzugsweise sowohl im Fußbereich als auch im Flankenbereich gehärtet. Das Härten der Verzahnung erfolgt vorzugsweise durch Doppelfrequenzhärten. Doppelfrequenzhärten wird auch mit der Abkürzung SDF bezeichnet, wobei die Großbuchstaben SDF für die englischen Begriffe Simultaneous Dual Frequency Hardening stehen. Das Doppelfrequenzhärten der Verzahnung erfolgt vorzugsweise bei allen vier Varianten des beanspruchten Verfahrens.
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Die gehärtete Verzahnung wird vorteilhaft einer Strahloperation unterzogen. Bei der Strahloperation ist der Fokus auf den Fußbereich der Verzahnung gerichtet. Die Strahloperation wird auch als Festigkeitsstrahlen bezeichnet, weil durch die Strahloperation die Tragfähigkeit der Verzahnung erhöht wird.
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Die Verzahnung wird nach dem Härten und/oder nach der Strahloperation spanend nachbearbeitet. Die Nachbearbeitung der Verzahnung erfolgt dabei vorteilhaft bei den ersten drei Varianten des beanspruchten Verfahrens nur im Flankenbereich und nicht im Fußbereich. Bei der vierten Variante erfolgt die spanende Nachbearbeitung sowohl im Flankenbereich als auch im Fußbereich der Verzahnung. Die Nachbearbeitung, die auch als Hart- und/oder Feinbearbeitung bezeichnet wird, umfasst vorzugsweise Verzahnungsschleifen und/oder Honen.
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Die nachbearbeitete Verzahnung wird vorteilhaft einer Strahloperation unterzogen. Bei der Nachbearbeitung werden vorteilhaft sowohl der Fußbereich als auch der Flankenbereich der Verzahnung der Strahloperation unterzogen. Durch die Strahloperation nach dem Härten und nach der spanenden Nachbearbeitung kann die Tragfähigkeit des Zahnflankenbereichs und des Zahnfußbereichs effektiv erhöht werden.
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Die oben angegebene Aufgabe ist auch durch ein Differentialgehäuse mit mindestens einem spanend bearbeiteten Lagerkörper und mit einer spanend bearbeiteten Verzahnung, hergestellt gemäß einem vorab beschriebenen Verfahren, gelöst.
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Die nachfolgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf sechs Figuren. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Differentialgehäuses aus einem Sphärogussmaterial mit zwei spanend bearbeiteten Lagerkörpern und mit einer spanend bearbeiteten Verzahnung;
- 2 das Differentialgehäuse aus 1 in einer Draufsicht;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Zahns der Verzahnung des Differentialgehäuses mit einem Aufmaß in einem Zahnflankenbereich;
- 4 eine ähnliche Darstellung wie in 3 mit einem Aufmaß sowohl im Zahnflankenbereich als auch in einem Zahnfußbereich;
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen des Differentialgehäuses aus den 1 und 2 gemäß einer ersten Variante; und
- 6 eine ähnliche Darstellung wie in 5 zur Veranschaulichung von drei weiteren Varianten des Verfahrens zum Herstellen des Differentialgehäuses.
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In den 1 und 2 ist ein Differentialgehäuse 1 mit einem Glockenkörper 2, einem Radkörper 3 und zwei Lagerkörpern 4, 5 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Das Differentialgehäuse 1 ist als Gussteil aus einem Sphärogussmaterial ausgeführt. Bei dem verwendeten Gussmaterial handelt es sich um ein Sphärogussmaterial mit der Kurzbezeichnung GJS 700 oder GJS 800.
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Radial außen an dem Radkörper 3 ist eine Verzahnung 6 ausgebildet, die als Stirnradverzahnung ausgeführt und spanend bearbeitet ist. Der Glockenkörper 2 umfasst Ausnehmungen 7 zum Durchführen von nicht dargestellten Wellen. Der Glockenkörper 2 umfasst des Weiteren Wuchtbohrungen 8.
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Durch die Ausführung des Differentialgehäuses 1 als Gussteil können die Herstellkosten reduziert werden. Durch eine Kombination aus einer Verzahnungsgrünbearbeitung, einer Doppelfrequenzhärtung und einer Strahlbearbeitung, die optional vor oder nach einem Verzahnungsschleifen durchgeführt werden kann, lässt sich das kostengünstigere aber im Hinblick auf die Betriebsfestigkeit eher minderwertige Gussmaterial als Werkstoff für hochbelastete Laufverzahnungen einsetzen. Darüber hinaus kann die Geräuschdämpfung im Betrieb des Differentialgehäuses 1 durch das Sphärogussmaterial wirksam verbessert werden.
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Das Differentialgehäuse 1 aus dem Sphärogussmaterial kann durch die im Folgenden beschriebenen Varianten ein konventionelles Differentialgehäuse mit einem Zahnrad aus einem Einsatzstahl oder Vergütungsstahl in Bezug auf Lebensdauer beziehungsweise Ermüdung ersetzen. Neben den Kosteneinsparungen und einer NVH-Optimierung kann das Gewicht des Differentialgehäuses 1 verringert werden. Dabei werden ein hoher Anspruch an die Gießqualität, ein aufwendigere Grünbearbeitung vor dem Härten, insbesondere vor einem Randschichthärten, in Kauf genommen. Darüber hinaus werden zusätzliche Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung, wie zum Beispiel Festigkeitsstrahlen, zur Erhöhung der Flankentragfähigkeit beziehungsweise Zahnfußtragfähigkeit durchgeführt.
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In den 3 und 4 ist ein Zahn 10 der Verzahnung 6 des Differentialgehäuses aus den 1 und 2 schematisch im Schnitt dargestellt. Der Zahn 10 hat einen Kopfbereich 11, einen Flankenbereich 12 und einen Fußbereich 13. Durch punktierte Linien ist in den 3 und 4 ein Aufmaß angedeutet, das bei der spanenden Bearbeitung des Zahns 10 entfernt wird. Bei dem in 3 dargestellten Zahn 10 ist das Aufmaß nur im Flankenbereich 12 vorgesehen. Bei dem in 4 gezeigten Zahn 10 ist das Aufmaß sowohl im Flankenbereich 12 als auch im Fußbereich 13 vorgesehen.
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Der Zahn 10 in 3 betrifft eine erste, eine zweite und eine dritte Variante des beanspruchten Verfahrens. Der Zahn 10 in 4 betrifft eine vierte Variante des beanspruchten Verfahrens.
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In den 5 und 6 sind zwei Ablaufpläne der insgesamt vier Varianten des beanspruchten Verfahrens dargestellt. 5 umfasst insgesamt neun Verfahrensschritte 21 bis 29. 6 umfasst insgesamt zehn Verfahrensschritte 31 bis 40.
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Die Verfahrensschritte 21; 31 stehen für das Gießen eines Rohteils des Differentialgehäuses aus dem Sphärogussmaterial. Die Verfahrensschritte 22; 32 stehen für ein Weichdrehen des gegossenen Rohteils. Die Verfahrensschritte 23; 33 stehen für ein Waschen des weichgedrehten Gussteils. Die Verfahrensschritte 24; 34 stehen für ein Verzahnungsfräsen der Verzahnung. Die Verfahrensschritte 25; 35 stehen für ein Doppelfrequenz-Härten.
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Die Verfahrensschritte 27; 38 stehen für ein Wuchten des Differentialgehäuses. Die Verfahrensschritte 28; 39 stehen für ein Waschen des Differentialgehäuses. Die Verfahrensschritte 29; 40 stehen für ein Montieren des Differentialgehäuses.
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5 betrifft die erste Ausführungsvariante des beanspruchten Verfahrens. Die Verzahnung wird im Zahnfußbereich bereits in einer Vorbearbeitung beim Verzahnungsfräsen 34 fertiggestellt. Nach dem Induktivhärten 26 wird im Verfahrensschritt 27 in einer Nachbearbeitung das Aufmaß im Flankenbereich der Verzahnung durch Verzahnungsschleifen oder Honen entfernt.
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Durch die Fertigung des Zahnfußbereichs in der Weichbearbeitung auf Fertigmaß wird die induktiv gehärtete Schicht im Zahnfußbereich vorteilhaft nicht durch die Hart-Feinbearbeitung, insbesondere durch Verzahnungsschleifen und/oder Honen, im Verfahrensschritt 26 reduziert.
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Auch in den Varianten zwei und drei des beanspruchten Verfahrens wird ein Fußbereich mit einem Zahnfußradius bereits in der Vorbearbeitung in Schritt 34 durch Verzahnungsfräsen fertiggestellt. Anschließend wird in den Varianten 2 und 3 die Verzahnung in Verfahrensschritt 35 gehärtet, und zwar induktiv, vorrangig durch Doppelfrequenzhärten.
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Bei der zweiten Variante des Verfahrens wird im Verfahrensschritt 36 eine Strahloperation durch Festigkeitsstrahlen durchgeführt. Beim Strahlen der Verzahnung liegt der Fokus auf dem Zahnfußbereich. Anschließend wird im Verfahrensschritt 37 nur der Zahnflankenbereich nachbearbeitet. Die Nachbearbeitung wird auch als Hart-Feinbearbeitung bezeichnet. Dabei wird der Zahnflankenbereich der Verzahnung spanend durch Verzahnungsschleifen oder Honen bearbeitet. Bei der Nachbearbeitung wird der Zahnfußbereich nicht bearbeitet.
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Durch die Fertigung des Zahnfußbereichs in der Weichbearbeitung auf Fertigmaß wird die induktiv gehärtete Randschicht im Zahnfuß nicht durch die Hart-Feinbearbeitung reduziert. Durch das Festigkeitsstrahlen nach dem Härten und vor der Hart-Feinbearbeitung, wie Schleifen oder Honen, in Kombination mit einem in der Weichbearbeitung bereits auf Fertigmaß bearbeiteten Zahnfuß wird im Endergebnis eine feinbearbeitete Flanke und ein zur Erhöhung der Betriebsfestigkeit gestrahlter Zahnfuß erzeugt.
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Bei der dritten Variante des Verfahrens wird im Verfahrensschritt 36 die Hart-Feinbearbeitung oder Nachbearbeitung des Zahnflankenbereichs ohne den Zahnfuß nach dem Härten im Schritt 35 durchgeführt. Der Zahnfußbereich wird dabei nicht nachbearbeitet. Nach der Nachbearbeitung im Schritt 36 wird die Verzahnung im Schritt 37 einer Strahloperation unterzogen, insbesondere durch Festigkeitsstrahlen der Verzahnung, wobei der Fokus sowohl auf dem Flankenbereich als auch auf dem Zahnfußbereich liegt.
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Durch die Fertigung des Zahnfußes in der Weichbearbeitung auf Fertigmaß wird die induktiv gehärtete Schicht im Zahnfuß nicht durch die Hart-Feinbearbeitung reduziert. Durch das Festigkeitsstrahlen nach dem Härten und dem Hart-Feinbearbeiten, durch Schleifen oder Honen, wird die Tragfähigkeit von Zahnflanke und Zahnfuß entsprechend erhöht.
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Bei der vierten Variante des beanspruchten Verfahrens wird der Zahnfußbereich der Verzahnung mit einem Aufmaß für ein nachfolgendes Verzahnungsschleifen/Verzahnungshonen gefertigt, wie in 4 angedeutet ist. Im Verfahrensschritt 35 wird die Verzahnung induktiv gehärtet, insbesondere durch Doppelfrequenzhärten. In Verfahrensschritt 36 erfolgt die Hart-Feinbearbeitung der Verzahnung durch Verzahnungsschleifen oder Honen, wobei sowohl der Zahnflankenbereich als auch der Zahnfußbereich hart-feinbearbeitet wird. Im Verfahrensschritt 37 erfolgt das Strahlen der Verzahnung im Fertigzustand.
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Durch das Festigkeitsstrahlen nach dem Härten und der Hart-Feinbearbeitung durch Schleifen oder Honen werden die Flankentragfähigkeit und Zahnfußfestigkeit erhöht. Der geschliffene Zahnfuß zeigt Vorteile durch die Reduzierung der Rauigkeit und der Randoxidation.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Differentialgehäuse
- 2
- Glockenkörper
- 3
- Radkörper
- 4
- Lagerkörper
- 5
- Lagerkörper
- 6
- Verzahnung
- 7
- Ausnehmungen
- 8
- Wuchtbohrungen
- 10
- Zahn
- 11
- Kopfbereich
- 12
- Flankenbereich
- 13
- Fußbereich
- 21
- Verfahrensschritt
- 22
- Verfahrensschritt
- 23
- Verfahrensschritt
- 24
- Verfahrensschritt
- 25
- Verfahrensschritt
- 26
- Verfahrensschritt
- 27
- Verfahrensschritt
- 28
- Verfahrensschritt
- 29
- Verfahrensschritt
- 31
- Verfahrensschritt
- 32
- Verfahrensschritt
- 33
- Verfahrensschritt
- 34
- Verfahrensschritt
- 35
- Verfahrensschritt
- 36
- Verfahrensschritt
- 37
- Verfahrensschritt
- 38
- Verfahrensschritt
- 39
- Verfahrensschritt
- 40
- Verfahrensschritt
