DE19517360C1

DE19517360C1 - Verfahren zum Schleifen der Verzahnung von bogenverzahnten Kegelrädern

Info

Publication number: DE19517360C1
Application number: DE19517360A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Ing Wiener
Original assignee: KLINGELNBERG SOEHNE 42859 REMSCHEID DE; Klingelnberg Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Klingelnberg GmbH
Priority date: 1995-05-11
Filing date: 1995-05-11
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2015-05-12
Also published as: WO1996035541A3; WO1996035541A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1 angegebenen Art.

Es gibt Kegelradverzahnungen, die im kontinuierlichen Verfahren hergestellt werden, und solche, die im Einzelteilverfahren her gestellt werden. Da die Forderungen an die Getriebe in den letz ten Jahren in bezug auf Tragfähigkeit, Genauigkeit und Laufruhe ständig gestiegen sind, sind spezielle Fertigungsverfahren ge schaffen worden, die im Gegensatz zum Läppen nach dem Härten eine Feinbearbeitung vorsehen. Geht man von den Unterschieden bezüglich der Zahnlängslinie aus, so gibt es im wesentlichen drei Grundformen von bogenverzahnten Kegelrädern:

- Kreisbogen als Zahnlängslinie,
- Evolvente als Zahnlängslinie,
- verlängerte Epizykloide als Zahnlängslinie.

Die Herstellung von Kegelrädern mit kreisbogenförmiger Zahn längslinie erfolgt im Einzelteilverfahren, wogegen die Herstel lung von solchen mit Evolvente oder verlängerter Epizykloide als Zahnlängslinie im kontinuierlichen Verfahren erfolgt. Für die Feinbearbeitung von Kegelrädern, auch von solchen mit epi zykloidischer Zahnlängslinie, sind in den letzten Jahren Schleifverfahren mit kegeliger Topfscheibe geschaffen worden. Es besteht daher die Möglichkeit, auch Kegelräder, die mit epi zykloidischer Zahnlängslinie vorverzahnt sind, mit kreisbogen förmigen Werkzeugen zu schleifen.

Es ist bekannt, daß bei den beim Verzahnen entstehenden Zahnlängsformen für Epizykloide und Kreisbogen die Unterschiede zwischen beiden Zahnlängslinien gering sind und bei geeigneter Anpassung im Be reich des Aufmaßes der Feinbearbeitung liegen.

Kegelradverzahnungen, die in modernen kontinuierlichen Verfahren hergestellt werden wie Spiroflex oder Spirac der Firma Oerlikon, oder Zyklo-Palloid der Firma Klingelnberg, haben im allgemeinen solche verlängerten Epizykloiden als Zahnlängslinien. Bis auf gewollte Abweichungen, die zur Erzeu gung von Zahnlängsballigkeiten dienen, sind diese Verzahnungen in Zahnlängsrichtung kongruent, d. h., daß die konvexen und kon kaven Flanken in Zahnmitte die gleichen Radien, aber mit unterschiedlichen Vorzeichen besitzen. Zum Herstellen einer Zy klo-Palloid-Verzahnung werden ein- oder mehrgängige Stirnmesser köpfe verwendet. Die Zahnhöhe ist bei der Zyklo-Palloid-Verzah nung über die ganze Zahnbreite konstant. Bekanntlich wird zwi schen Spiralzahnkegelrädern mit sich verjüngenden und solchen mit gleich hohen Zähnen unterschieden. Hinsichtlich der Profil höhe in Flankenlängsrichtung können mit den vorstehend angeführ ten Verfahren je nach Auslegung beide Formen erzeugt werden. Im Gegensatz dazu ist der Unterschied bei der Herstellung, der im wesentlichen die Erzeugung der Teilung betrifft, bei den einzel nen Verfahren aber nicht wahlweise zu verwirklichen. Während das kontinuierliche Verfahren für die Evolventen- und Zykloiden-Ver zahnung aus wirtschaftlichen Gründen vorgezogen wird, ist die Herstellung von kreisbogenverzahnten Kegelrädern nur im Teil verfahren möglich. Hauptsächliche Anwendung findet bei der Her stellung von spiralverzahnten Kegelrädern, die in Zahnlängs richtung einen Kreisbogen aufweisen, ein Verfahren der Firma Gleason.

Das von Oerlikon angewandte Verzahnungssystem basiert auf der konstanten Zahnhöhe und dem kontinuierlichen Verfahren. Bei den Oerlikon-Verzahnungsverfahren wird durch Messerkopfschief stellung (vom Fachmann auch als TILT bezeichnet) die jeweils geforderte Längsballigkeit erreicht. Bei dem Spiroflex-Verfahren werden Tellerrad und Ritzel am Erzeugungs-Planrad abgerollt, und beim Spirac-Verfahren wird das Tellerrad eingestochen, wogegen die Ritzelverzahnung durch Wälzen am Kegel des Tellerrades her gestellt wird.

Auch bei dem sogenannten Kurvex-Verfahren der Firma Modul, das mit ineinander geschachtel ten Fräsern für Innen- und Außenflanke im Teilverfahren arbeitet und Kreisbögen als Zahnlängsform hat, sind die Fräserradien bis auf die gewünschte Längsballigkeit für konkave und konvexe Flanke gleichgroß.

Um derart vorverzahnte Kegelräder schleifen zu können, sind zwei Schleifscheiben erforderlich. Die Schleifscheiben sind topfartig ausgebildet (Topfscheiben) und werden im Arbeitsbereich kegel förmig abgerichtet (profiliert). Der Innenkegel für das Schlei fen der konvexen Zahnflanke und der Außenkegel für das Schleifen der konkaven Zahnflanke haben wiederum in Profilmitte der Ver zahnung - bis auf die geringe Radiendifferenz zur Erzeugung von gewünschten Längsballigkeiten - den gleichen Radius. Schneidet man den jeweiligen Kegel durch eine Ebene senkrecht zur Kegelmantellinie in Profilmitte der Schleifscheibe, so stellt der Abstand von der Profilmitte bis zur Rotationsmitte der Schleifscheibe den Krümmungsradius der Schnittellipse in Pro filmitte dar.

Es ergeben sich zwei Krümmungsradien, Ra und Ri, die wiederum bis auf die zur Erzeugung einer gewünschten Längsballigkeit erforderlichen geringen Unterschiede gleich groß sein müssen:

Ra = Ri,

wie es in beigefügter Fig. 1 dargestellt ist.

Für das Schleifen derartig vorverzahnter Räder sind also zwei Schleifscheiben 11, 12 erforderlich, da bei einer Schleifscheibe mit gleichen Winkeln für den Innenkegel und den Außenkegel immer gilt

Ra < Ri,

wie es der beifügten Fig. 2 zu entnehmen ist.

Für das Schleifen der gehärteten Verzahnungen von solchen Kegelrädern sind Kegelradschleifmaschinen mit Doppelschleifkopf entwickelt worden, wie z. B. die CNC-gesteuerte Spiralkegelrad- Wälzschleifmaschine WNC 80 der Firma Klingelnberg. Der Doppelschleifkopf er laubt es, in einem sogenannten 2-Spur-Verfahren die konvexen und konkaven Zahnflanken eines kontinuierlich vorverzahnten Kegelra des in gleicher Aufspannung fertig zu schleifen. Hierzu werden auf den beiden Schleif spindeln der Maschine Schleifscheiben unterschiedlichen Durch messers aufgenommen, so daß beim Schleifen Krümmungsunterschiede zwischen konvexen und konkaven Flanken entstehen. In ein und derselben Aufspannung wird dabei zunächst mit einer Schleif scheibe die konkave und anschließend mit der anderen Schleif scheibe die konvexe Flanke eines Kegelrades geschliffen, oder umgekehrt. Dadurch sind auch sehr unterschiedliche Korrekturen an beiden Flanken unabhängig von der anderen Flanke möglich. Es kann unabhängig von einander für Zug und Schub die Größe der Zahnlängsballigkeit und damit die Tragbildlänge stets optimal den vorliegenden Betriebsbedingungen angepaßt werden. Die beiden Maschineneinstellungen unterscheiden sich nicht nur durch die unterschiedlichen Schleifscheibendurchmesser, sondern auch zu mindest durch unterschiedliche Abstände von Schleifspindelmitte bis Maschinenmitte (die sogenannte Maschinenexzentrizität S, bei der es sich gemäß der Darstellung in Fig. 7 um den Abstand zwi schen der Wälzwiegenmittelachse und der Schleifspindelmittel achse handelt). Außerdem können zur Optimierung der Flankenform für konvexe und konkave Flanken ganz verschiedene Zusatzkorrekturen überlagert werden.

Um aber vorverzahnte Kegelräder mit nur einer Schleifscheibe schleifen zu können, sind für im Teilverfahren hergestellte kreisbogenverzahnte Kegelräder die sogenannten Completing-Ver fahren entwickelt worden. Diese beruhen auf der Erkenntnis, daß man die Radien der Schnittellipsen (oben mit Bezug auf Fig. 1 erläutert) in dem erforderlichen Sinne verändern kann, wenn man die Erzeugungswinkel der Schleifscheiben verändert: Indem man den Winkel α_cv des Außenkegels verkleinert und den Winkel α_cx des Innenkegels (vgl. Fig. 2) vergrößert, kann man die gewünschten Radien einstellen, so daß wieder gilt

Ra = Ri,

wie es in beigefügter Fig. 3 gezeigt ist. Da durch diese Verän derung des Winkels α_cv des Außenkegels und des Winkels α_cx des Innenkegels der Eingriffswinkel verändert wird, muß man durch andere Methoden sicherstellen, daß an der Zahnflanke trotzdem der richtige Eingriffswinkel entsteht. Eine Methode, die Unter schiede in den Schleifscheibenwinkeln zu kompensieren, um den richtigen Eingriffswinkel zu schaffen, besteht darin, die Schleifspindel und damit die Schleifscheibe zu neigen. Diese Me thode wird z. B. bei einem Completing-Verfahren von Gleason ange wandt. Eine andere Methode, die Unterschiede in den Schleif scheibenwinkeln zu kompensieren, um den richtigen Eingriffswin kel zu erzielen, besteht darin, die Schleifscheibe Zusatzbewe gungen ausführen zu lassen. Diese Methode wird z. B. bei einem Completing-Verfahren von Klingelnberg angewandt. Sowohl das Gleason- als auch das Klingelnberg-Completing-Verfahren bringen jedoch eine Beschränkung auf eine spezielle Radkörpergeometrie mit konisch verlaufender Zahnhöhe mit sich, d. h. die Zahnhöhe nimmt in Zahnlängsrichtung von innen nach außen zu. Da der Schleifprozeß mit nur einer Scheibe an der konvexen und an der konkaven Flanke gleichzeitig erfolgt, ist die Schleifzeit nur etwa halb so groß wie bei dem getrennten Schleifen beider Flan ken mit Doppelschleifkopf. Leider geht aber der besondere Vor teil des Schleifens mit Doppelschleifkopf, daß man mit den bei den Schleifscheiben beide Flanken unabhängig voneinander opti mieren kann, verloren. Bei den Completing-Verfahren wird näm lich, wenn eine Flanke optimiert wird zwangsläufig auch die andere Flanke beeinflußt, so daß Flankenoptimierungen schwierig sind. Weiter gehen die besonderen Vorteile der eingangs aufgeführten Verzah nungen, die im kontinuierlichen Verfahren hergestellt werden und sich durch konstante Zahnhöhe über der Verzahnungsbreite aus zeichnen, verloren. Die Vorteile dieser Verzahnungen sind im we sentlichen:

- kinematisch exakte Verzahnung
- dadurch relativ einfache Auslegung
- exakte Einstellbarkeit
- einfache Korrekturen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, bei dem es sich um ein Completing-Verfahren handelt, so zu verbessern, daß sich jede Flanke einer Kegelradverzahnung unabhängig von der anderen op timieren läßt und daß sich alle Vorverzahnungsarten schleifen lassen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Schritten gelöst.

Das Verfahren nach der Erfindung, das als ein Semi-Completing- Verfahren bezeichnet werden kann, verbindet die Vorteile der Completing-Verfahren mit den Vorteilen der im kontinuierlichen Verfahren hergestellten Verzahnungen. Zu diesem Zweck wird bei dem Verfahren nach der Erfindung die Schleifscheibe zur Er zeugung der gewünschten resultierenden Schleifscheibenradien mit unterschiedlichen Kegelwinkeln versehen. Bei dem Schleifen wird in Abwärtswälzung die eine Flanke bearbeitet und in Auf wärtswälzung die andere. In den Umkehrpunkten wird die Maschineneinstellung so verändert, daß entweder durch Einstellen eines Neigungswinkels (TILT) der Schleifscheibe durch Neigung der Schleifscheibenachse oder durch Simulation eines solchen Neigungswinkels und/oder durch Zusatzbewegung beim Wälzprozeß der richtige Eingriffswinkel und die richtige Flankentopographie entstehen. Man erhält somit ähnlich kurze Schleifzeiten wie bei den Completing-Verfahren, da das immer erforderliche Rückwälzen zum Schleifen der Gegenflanke genutzt wird. Gleichzeitig kann man aber jede Vorverzahnungsart schleifen, ohne in der Geome trieauslegung so eingeschränkt zu sein wie bei den Completing- Verfahren. Besonders vorteilhaft ist, daß durch das Verfahren nach der Erfindung jede Flanke unabhängig von der anderen opti miert werden kann.

Bei einer Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Einstellung der Maschine in den Umkehr punkten so, daß die Maschinenexzentrizität und der Naschinen grundwinkel (vgl. Fig. 7) nicht verändert werden, sondern unter schiedliche Exzentrizität und Eingriffswinkel durch Wälzung kompensiert werden. Gemäß Fig. 7 ist der Maschi nengrundwinkel Γ der Winkel zwischen der Achse der Wälzwiegenbe wegung Y und der Werkstückachse minus 90°.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bildet den Gegenstand des Unteranspruchs. In dieser Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren angewendet bei der Bearbeitung von Ritzeln mit in Zahnlängs richtung kreisbogenförmiger Verzahnung, die im sogenannten Single-Side-Verfahren hergestellt werden. Bei diesem Verfahren werden die Ritzel an konvexer und konkaver Flanke getrennt bear beitet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 zum Schleifen mit zwei Schleifscheiben erforderliche Radien ohne Balligkeit,

Fig. 2 Radien an einer konventionellen Schleif scheibe,

Fig. 3 Radien an einer Schleifscheibe, die bei den Completing-Verfahren und bei dem Semi-Completing-Verfahren nach der Erfindung einsetzbar ist,

Fig. 4 das Schleifen der konvexen Flanke eines Tellerrades mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 5 das Schleifen der konkaven Flanke des Tellerrades nach Fig. 4 mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren,

Fig. 6 ein Flußdiagramm, das den Algorithmus zur Erzeugung der Maschineneinstellung für das erfindungsgemäße Verfahren dar stellt, und

Fig. 7 ein Erläuterungsbild.

Fig. 3 zeigt, wie oben bereits erwähnt, eine von den sogenannten Completing-Verfahren her bekannte Schleifscheibe, bei der die Erzeugungswinkel der Schleifscheiben verändert worden sind, in dem der Winkel α_cv des Außenkegels (gegenüber der Darstellung in Fig. 2) verkleinert und der Winkel α_cx des Innenkegels (wiederum gegenüber der Darstellung in Fig. 2) vergrößert worden ist, so daß gilt

Ra = Ri.

Auf oben dargelegte und in den Fig. 4 und 5 dargestellte Weise wird in einem Zyklus bei dem Aufwärtswälzen mit der Schleif scheibe 13 die konvexe Flanke der Spiralverzahnung eines Teller rades 14 bearbeitet (Fig. 4) und in einem anderen Zyklus bei dem Abwärtswälzen die konkave Flanke (Fig. 5). In den Umkehrpunkten zwischen Abwärts- und Aufwärtswalzen wird die Maschineneinstellung dann so verändert, daß sich entweder durch Einstellen eines Neigungswinkels der Schleifscheibe durch Neigung der Schleifscheibenachse oder durch Simulation eines solchen Neigungswinkels oder durch Zusatzbewegung beim Wälzprozeß die richtigen Eingriffswinkel und die richtige Flankentopographie ergeben. Ebenso wird die Maschinenexzentrizität so eingestellt, daß die richtigen Spiralwinkel erzeugt werden.

In der Praxis wird dafür ein Programm eingesetzt, welches die entsprechenden Maschineneinstellungen in den Umkehrpunkten so festlegt, daß jeweils der richtige Eingriffswinkel durch Neigung der Schleifscheibenachse oder durch Simulation eines Neigungswinkels oder durch Zusatzbewegungen beim Wälzen oder durch eine Kombination dieser Maßnahmen erzielt wird. Der Algorithmus eines solchen Programmes läßt sich wie folgt beschreiben.

Das Flußdiagramm in Fig. 6 stellt den Algorithmus zur Erzeugung der Maschineneinstellung für das erfindungsgemäße Semi-Comple ting-Verfahren dar. Ausgegangen wird bei 50 von der Maschinen einstellung ME für zwei getrennte Schleifscheiben mit den zuge hörigen Werkzeugdaten W. Daraus ergibt sich beim 2-Spur-Verfah ren eine Flankenform F_cx für die konvexe und eine Flankenform F_cv für die konkave Flanke (Block 54). Für die jeweilige Flan kenform werden ein Spitzenradius R des Werkzeuges, Werkzeugdaten W und die Maschineneinstellung ME ermittelt, die eine körperlich darstellbare Schleifscheibe erzeugen, und zwar getrennt für eine Werkzeugseite 1 konvex (R_1cx, W_1cx, ME_cx, Block 56) und eine Werkzeugseite 2 konkav (R_2cv, W_2cv, ME_2cv, Block 58). Diese Schleifscheibe hat dann an der konvexen Flanke einen grö ßeren Werkzeugwinkel α_1cx und an der konkaven Flanke einen klei neren Werkzeugwinkel α_2cv als der betreffende Werkzeugwinkel α_cx bzw. α_cv der ursprünglichen Schleifscheibe (Blöcke 60 bzw. 62). Außerdem hat diese Schleifscheibe dann an der konvexen Flanke einen klei neren Spitzenradius R_1cx als der entsprechende Radius R_2cv und an der konkaven Flanke einen größeren Spitzenradius R_2cv als der entsprechende Radius R_1cx.

Der daraus resultierende falsche Eingriffswinkel am Werkstück wird entweder durch TILT-Einstellung, d. h. durch Neigung der Schleifscheibenachse, oder Überlagerung von Modified Roll (MR) und Helical Motion (HM) kompensiert. Modified Roll ist eine Veränderung des Wälzverhältnisses zwischen Wälzwiege (Y) und Werkstückachse. Helical Motion ist eine konti nuierliche Veränderung der Tiefenzustellung (X), vgl. Fig. 7. Daraus ergibt sich die Einstellung für Semi-Completing für beide Flanken, mit einer zugehörigen Flankenform F_1cx für die konvexe Flanke und F_2cv für die konkave Flanke. Im Flankenvergleich wird diese Flankenform mit der ursprünglichen Flankenform F_cx bzw. F_cv verglichen (bei 68, 70). Ist die Abweichung zu groß, werden Maschineneinstellung ME und Werkzeugdaten W solange korrigiert (Blöcke 72 bzw. 74), bis die Abweichung innerhalb der gewünsch ten Toleranz liegt. Danach kann, sofern gewünscht, nochmals je der Ease-Off hinsichtlich Geräuschverhalten und Tragfähigkeit getrennt optimiert werden (Blöcke 76 bzw. 78). Als Ergebnis lie gen die Werkzeugdaten W für eine Schleifscheibe und die Maschineneinstellungen ME für die konvexe und die konkave Flanke (Block 80) vor.

Eine weitere Variante zum Festlegen der Maschineneinstellungen in den Umkehrpunkten besteht darin, unter Beibehaltung von Ma schinenexzentrizität und Maschinengrundwinkel zum Erzielen des richtigen Eingriffswinkels die Maschine in den Umkehrpunkten so einzustellen, daß bei dem Wälzprozeß unterschiedliche Exzentri zität und unterschiedlicher Eingriffswinkel durch Wälzung kom pensiert werden.

Schließlich ist das hier beschriebene Verfahren auch zum Bear beiten von kreisbogenverzahnten Ritzeln anwendbar, die im soge nannten Single-Side-Verfahren hergestellt werden, bei dem die Ritzel an der konvexen und an der konkaven Flanke getrennt bear beitet werden.

Claims

1. Verfahren zum Schleifen der Verzahnung von bogenverzahnten Kegelrädern im Einzelteil-Wälzverfahren mit einer Schleif scheibe (13), die zur Erzeugung von gewünschten Schleifschei benradien (Ra, Ri) mit unterschiedlichen Kegelwinkeln (α_1cx, α_2cv) versehen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Schleifen in Abwärtswälzung bis zu einem ersten Um kehrpunkt eine Flanke und in Aufwärtswälzung bis zu einem zwei ten Umkehrpunkt eine andere, benachbarte Flanke bearbeitet wird, und
daß in den Umkehrpunkten Maschineneinstellungen (ME_1cx, ME_2cv) so verändert werden, daß bei dem Wälzprozeß trotz der unterschiedlichen Kegelwinkel (α_1cx, α_2cv, ein richtiger Ein griffswinkel und eine richtige Flankentopographie entstehen,

- wobei zum Erzielen des richtigen Eingriffswinkels ein Nei gungswinkel (TILT) der Schleifscheibe in den Umkehrpunkten so eingestellt wird, daß die unterschiedlichen Kegelwinkel kompensiert werden, und gleichzeitig eine Maschinenexzentrizität so eingestellt wird, daß der rich tige Spiralwinkel erzeugt wird,
- oder wobei zum Erzielen des richtigen Eingriffswinkels die Maschineneinstellungen (ME_1cx, ME_2cv) in den Umkehrpunkten so vorgenommen werden, daß bei dem Wälzprozeß der Neigungswinkel (TILT) der Schleifscheibe (13) simuliert wird,
- oder daß die Maschineneinstellungen (ME_1cx, ME_2cv) in den Umkehrpunkten unter Beibehaltung der Maschinenex zentrizität (S) und eines Maschinengrundwinkels (Γ) so vorgenommen werden, daß bei dem Wälzprozeß unter schiedliche Exzentrizität und unterschiedlicher Eingriffs winkel durch Wälzung kompensiert werden,
- und/oder daß bei dem Wälzprozeß Zusatzbewegungen der Schleifscheibe (13) ausgeführt werden.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum getrennten Bearbeiten der konvexen und konkaven Flanke eines Ritzels mit kreisbogenförmiger Verzahnung, die im sogenannten Single-Side- Verfahren hergestellt worden ist.