DE3111771C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine radiale Schaltkeilverzahnung für Kupplungen, die entgegengesetzte schiefe Zahnflanken aufweist, sowie ein Ver­ fahren zur Herstellung der radialen Schaltkeilverzahnung, insbesondere einer Hirtschen Verzahnung.

Unter dem Begriff "Schaltkeilverzahnung" wird eine Ver­ zahnung verstanden, die in Kupplungen, z. B. in Kraft­ fahrzeugen bei der Ausgleichssperre des Ausgleichsge­ triebes, angewendet wird. Solche Schaltkeilverzahnungen können an den Endflächen von zwei Wellen ausgebildet werden, wobei die Endflächen zueinander parallel ausgerichtet sind und zu der Längsachse der Wellen senkrecht stehen. Diese Wellen können an der Keilverzahnung miteinander verbunden werden, wodurch die Drehbewegung der einen Welle auf die andere Welle übertragen wird.

Die radiale Schaltkeilverzahnung ist eine Verzahnungsart, die nur sehr schwer hergestellt werden kann. Jedoch sind mehrere Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik bekannt. Die verbreitetsten Verfahren zur Herstellung von radialen Schaltkeilverzahnungen können in folgende Gruppen zusammengefaßt werden:

• - Hobeln mit einer Kegelzahnhobelmaschine mit Hobel­ eisen, detailliert beschrieben z. B. in einem Buch des sowjetischen Autors G. V. Hoperskow;
• - Stoßen mit einer Wälzstoßmaschine mit einem Abwälzwerk­ zeug, beschrieben in "Tool and Manufacturing Engineers′ Handbook" von Mc. Graw-Hill Book Company;
• Fräsen mit einer Abwälzfräsmaschine mit
  • - einem Schlagmesser, beschrieben in einem russischen Buch von G. N. Rajhman und V. J. Iwanow, oder
  • - einem die Anschnittzähne eines imaginären mehr­ gänzigen Schneckenfräsers verkörpernden Scheiben­ fräser, beschrieben in einem Buch von G. N.Rajhman;
• Diese Verfahren sind in der sowjetischen Patentschrift Nr. 249 904 beschrieben;
• - Fräsen mit Universalfräsmaschine mit einem zweiseitgen Winkelfräser, beschrieben in "Machinery ′′ Handbook" von Industrial Press Inc.

Unter diesen Verfahren ist das Fräsen auf Universalfräs­ maschinen mit einem zweiseitigen symmetrischen Winkelfräser das am meisten angewandte Verfahren, da keine spezielle Werk­ zeugmaschine benötigt wird. Universalfräsmaschinen sind in allen Maschinenfabriken vorhanden. Der Preis dieser Maschinen ist verhältnismäßig niedrig (vier- bis sechsmal niedriger als der einer Wälzstoßmaschine oder einer Ab­ wälzfräsmaschine). Dieses Verfahren wird nach dem technologischen Vorgang wie folgt ausgeführt:

Das zu verzahnende Werkstück wird in dem auf dem Maschinentisch montierten Teilapparat eingespannt. Die Achse des Werkstückes wird dem Neigungswinkel der Zahnlückenkante entsprechend verschwenkt. Der Winkelfräser wird durch das Berühren mit der Spitze der Schneidkante des verschwenkten Werkstückes in die Mitte des Werkstückes gestellt und eine Zahnlücke wird mit den folgenden Schritten bearbeitet:
Arbeitsvorschub - schneller Rückzug des Werkstückes - schneller Rücklauf des Fräsers - schnelle Näherung.

Nach dem Teilen wird dieser Zyklus fortgesetzt, bis alle Zahnlücken fertig bearbeitet sind.

Dieses Verfahren hat wesentliche Nachteile. Bis zur Fertig­ bearbeitung einer Zahnlücke muß der Maschinentisch vier­ mal bewegt werden, und zwar einmal im Arbeitsgang und dreimal im Leergang.

Die Bearbeitungszeit, die aus der maschinellen Hauptzeit und Nebenzeit zusammengesetzt ist, ist wegen der ungünstigen relativen Anordnung des Werkstückes zu dem Werkzeug zu lang. Die maschinelle Hauptzeit setzt sich aus der Dauer des effektiven Fräsens, sowie der Zustellung und dem Rück­ lauf des Werkzeuges zusammen, d. h. sie umfaßt die gesamte Dauer des Arbeitsvorgangs. Wegen der ungünstigen Anordnung wird eine lange Zeit für die Zustellung des Werkstückes und für den Rücklauf des Werkzeuges benötigt. Die maschinelle Nebenzeit setzt sich aus der Dauer der Leerläufe zusammen. Da für die Fertigbearbeitung einer Zahnlücke der Maschinen­ tisch dreimal im Leerlauf bewegt werden muß, ist auch diese Zeitdauer zu lang. Infolgedessen ist die Produktivität dieses Verfahrens sehr niedrig.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Beanspruchung der Fräsmaschine bei diesem Verfahren sehr groß ist, so daß ihre Lebensdauer folglich kurz ist. Auch sind die Ausfallzeiten höher. Die Größe der Beanspruchung zeigt zum Beispiel die Bearbeitung eines Zahnrades mit der Zähnezahl 127. So muß der Maschinentisch 4×127=508mal bewegt werden, d. h. gebremst, gestoppt, in die andere Richtung gestartet und beschleunigt werden.

Auch ist die Genauigkeit dieser Verfahrensweise sehr niedrig und der geometrische Fehler des zweiseitigen symmetrischen Fräsers wird auf das Profil der Zahnlücke kopiert.

Auch tritt eine erhebliche Schnittkraft wegen der Breite des Spanes auf, welcher die Breite des Zahnlückenprofils aufweist.

Nachteile anderer Art ergeben sich bei den vorbekannten Verfahren hinsichtlich der Oberflächenausbildung. Der Literatur ist zu dieser Frage zu entnehmen, daß alle Ober­ flächen durch Bewegung einer Erzeugungslinie entlang einer Leitlinie gebildet werden. Die Oberfläche bildet somit die Spur oder Marke dieser Bewegung der Erzeugungslinie. Zur Bildung der Erzeugungslinie und der Leitlinie sind Hilfs­ mittel nötig, welche materielle Linien oder materielle Punkte oder beides sein können.

Sofern das Hilfsmittel eine materielle Linie ist, können die Erzeugungslinie und Leitlinie wie folgt gebildet werden:

• - nach dem Verfahren des Kopierens, wobei die Länge und Form der als Hilfsmittel dienenden materiellen Linie mit der Länge und Form der zu bildenden geo­ metrischen Linie gleich sind;
• - nach dem Abwälzverfahren, wobei die Länge und Form der als Hilfsmittel dienenden materiellen Linie mit der Länge und Form der zu bildenden geometrischen Linie gleich sind.

Sofern das Hilfsmittel ein materieller Punkt ist, können die Erzeugungslinie und die Leitlinie auch in zweifacher Weise gebildet werden:

• - nach dem Verfahren der Spurlinie, wobei die zu bildende geometrische Linie eine Spur des bewegten Punktes ist;
• - nach dem Verfahren der Berührung, wobei die zu bildende geometrische Linie als Berührungslinie einer Vielzahl von geometrischen Hilfslinien nachgebildet ist, wobei die Hilfslinie beim Bewegen des materiellen Punktes entstehen.

Sowohl die Erzeugungslinie als auch die Leitlinie können nach einer dem Verfahren des Kopierens, des Abwälzver­ fahrens, der Spurlinie oder der Berührung gebildet werden.

Im folgenden wird das Fräsen mit einem zweiseitigen symmetrischen Winkelfräser näher beschrieben, da dieses Verfahren heute häufig angewandt wird. In dieser Technolo­ gie ist die Erzeugungslinie die Kopie des Profils des zweiseitigen symmetrischen Winkelfräsers. Die Erzeugungs­ linie wird entlang einer nach der Methode der Berührung hergestellten Leitlinie bewegt. In dieser Weise ist die Erzeugungslinie zugleich die Berührungslinie der nacheinanderfolgenden Positionen des zweiseitigen symmetrischen Winkelfräsers. Dies ist ein weiterer Grund für die niedrige Produktivität des bekannten Verfahrens: Die Bewegungsgeschwindigkeit der Erzeugungslinie (Arbeitsvorschub) ist langsam und die Leitlinie (die Zahnlückenskante) ist zugleich lang.

Aufgrund des oben Angeführten kann festgestellt werden, daß der Profilfehler der Zahnlücken und die große Schnitt­ kraft von der Oberflächenausbildung nach dem Verfahren des Kopierens herrühren.

Den vorbekannten Stand der Technik zusammenfassend kann festgestellt werden, daß der technologische Standard der Verfahren zur Herstellung von radialen Schaltkeilverzahnungen weit unter dem Niveau anderer Verfahren der maschinellen Spanabhebung liegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine radiale Schaltkeilverzahnung für Kupplungen zu schaffen, die auf universalen spanabhebenden Werkzeugmaschinen oder auf speziellen Ein­ zweck-Werkzeugmaschinen mit intermittierender Teilung mit hoher Erzeugungseffektivität und geringer Belastung der be­ treffenden Teile der Werkzeugmaschine hergestellt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die entgegengesetzten Flanken durch Mantelteile eines schief­ winkeligen Zylinders gebildet sind, der eine Grundplatte aufweist, welche in einer Ebene liegt, die durch den beiden entgegengesetzten Zahnflanken zugehörigen Zahnlücken­ kanten bestimmt ist.

Bei einer radialen Schaltkeilverzahnung gemäß der Erfindung bilden die Zahnflanken keine ebenen Flächen sondern Mantel­ teile eines schiefwinkligen Kreiszylinders, wodurch die Ver­ bindung durch die Berührung von Kreismantelflächen und an einer vorwählbaren Stelle realisiert werden kann, während die für die vorbekannten Verzahnungen charakteristischen ebenen Zahnflankenflächen im allgemeinen ungünstige Kantenberührung haben.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer radialen Schaltkeilverzahnung gemäß der Erfindung, insbesondere einer Hirtschen Verzahnung, wobei ein System bestehend aus einer Werkzeugmaschine und einem durch eine Hauptspindel gehaltenen Werkzeug einer Spannvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes verwendet wird. Gemäß der Erfindung ist ein solches Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß das System derart eingestellt wird, daß eine Oberfläche bildende Punkte des Werk­ zeuges entlang des Mantels eines schiefwinkligen Kreiszylinders bewegt werden, der eine Grundplatte aufweist, die in einer Ebene liegt, die durch jeweils zwei entgegengesetzten Zahnflanken zugehörigen Zahnlückenkanten bestimmt ist, so daß der schiefwinkelige Kreiszylinder die beiden entgegengesetzten Zahnflanken entlang je einer Geraden berührt, während die Achse der das Werkzeug haltenden Hauptspindel senkrecht zu der Ebene, die durch die den beiden entgegengesetzten Zahn­ flanken zugehörenden Zahnlückenkanten bestimmt ist, gerichtet wird.

Das Verfahren beruht auf dem Gedanken, die Oberfläche der Zahn­ flanke mit einer kurzen Leitlinie, das heißt mit einer kurzen Zahnlückenkante auszubilden. Bei Anwendung des Verfahrens ge­ mäß der Erfindung wird die Produktivität der Fertigung der Schaltkeilverzahnungen erheblich erhöht und es werden bessere, das heißt genauere Schaltkeilverzahnungen hergestellt.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Er­ findung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Erzeugungslinie und eine Leitlinie der Zahnflanken nach dem Spurlinienverfahren hergestellt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnung im Zusammenhang mit einem Ausfüh­ rungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt zwei Ansichten eines zweiseitigen Winkel­ fräsers, der bei bekannten Verfahren angewandt wurde,

Fig. 2 zeigt ein Zahnrad mit nach der Erfindung herge­ stellter Schaltkeilverzahnung in Draufsicht und im Querschnitt,

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung des prinzipiellen Grundgedankens der Erfindung,

Fig. 4 zeigt eine vertikale Fräsmaschine in zwei Ansichten, die bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung angewendet wird,

Fig. 5a bis 5d illustrieren einzelne Schritte eines Aus­ führungsbeispieles der Erfindung, und

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer Zahnlücke, der nach der Erfindung bearbeitet wurde.

Zur Erleichterung des Verständnisses des Ausführungsbeispiels wird einleitend die Terminologie der Erfindung im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 ist ein Zahn­ rad dargestellt, das nach der Erfindung verzahnt wurde.

Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Spitze des Zahnlücken­ kantenkegels (Zahnkronenkantenkegel). Der Zahnlücken­ kantenkegel (Zahnkronenkantenkegel) ist durch die Zahn­ lückenkanten (Zahnkronenkanten) als Mantellinien bestimmt. Die Zahnkronenkante ist mit Bezugszeichen 3 bezeichnet.

Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Zahngrundabrundung und 4 a eine Grenze der Zahngrundabrundung 4. Diese Linie (Grenze 4 a) ist der Ort des Treffens der Zahngrundabrundung 3 und der Zahnflanke.

Die Zahnlückenkanten sind mit 5 und 5 a und die entgegen­ gesetzten Zahnflanken mit 6 und 6 a bezeichnet.

Der Neigungswinkel der Zahnlückenkante ist mit α ange­ zeigt. Dieser Neigungswinkel α wird durch die Zahn­ lückenkante 5 und durch eine an der Spitze 2 des Zahn­ lückenkantenkegels gelegte und zu einer Achse F-F des Werkstückes senkrechten Ebene bestimmt.

Ein Neigungswinkel β der Zahnflanke ist durch die Zahnflanke 6 und eine auf der Zahnlückenkante 5 und der Achse F-F gelegte Ebene bestimmt (in einer zu der Zahnlückenkante 5 senkrechten Ebene gesehen),

d bezeichnet den Innendurchmesser der Schaltkeil­ verzahnung, D bezeichnet den Außendurchmesser der Verzahnung, B bezeichnet die Breite des Zahnrückens bei einem Außendurchmesser D der Verzahnung, Z bezeichnet die Zahl der Zähne der Verzahnung.

Ein in einer auf der Spitze 2 des Zahnlückenkantenkegels und zu der Achse F-F des Werkstückes senkrechten Ebene gesehener Winkel der benachbarten Zahnkronenkante 3 und der Zahnlückenkante 5 ist mit ϕ bezeichnet,

In Fig. 3 ist die prinzipielle Grundlage der Erfindung dargestellt. Ein schiefwinkliger Kreiszylinder 7 ist mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet, deren Grund­ platte 9 in einer durch die Zahnlückenkanten 5, 5 a der entgegengesetzten Zahnflanken 6, 6 a von zwei verschiedenen Zahnlücken bestimmten Ebene 10 gelegt ist. Diese entgegen­ gesetzten Zahnflanken 6, 6 a werden durch Mantelteile des Kreiszylinders 7 ersetzt. Der schiefwinkelige Kreis­ zylinder 7 berührt die Zahnflanke 6 entlang einer Linie 8 und die Zahnflanke 6 a entlang einer Linie 8 a. Die die Rolle eines oberflächenbildenden materiellen Punktes 11 einfüllende Spitze des Fräsers bewegt sich auf dem Mantel des Kreiszylinders 7, z. B. entlang einer Schraubenlinie 12 (unter dem Begriff "schiefwinkliger Kreiszylinder" wird ein Kreiszylinder verstanden, dessen Achse zu seiner Grundfläche nicht senkrecht verläuft).

Im folgenden wird die praktische Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer vertikalen Fräsmaschine 14 beschrieben, die in Fig. 4 dargestellt ist. Dabei wird auch auf die Fig. 5a bis 5d Bezug genommen, in denen die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ver­ anschaulicht sind.

a) Ein Fräserkörper 16 wird auf eine Hauptspindel 15 der Fräsmaschine 14 einachsig mit dieser Hauptspindel 15 montiert. Auf einen Maschinentisch 17 der Fräsmaschine 14 wird ein verschwenkbarer Teilapparat 18 montiert. An dem Teilapparat 18 wird eine Spannvorrichtung 19 angeordnet und in der Spannvorrichtung 19 wird ein Werkstück eingespannt.

b) Der Maschinentisch 17 hat einen Arbeitsvorschub e. Die Hauptspindel 15 wird in Richtung dieses Arbeits­ schubes e unter einem Winkel ε verschwenkt. Das Werkstück 20 wird so eingestellt, daß zwischen der Achse des Werkstückes 20 und der Achse der Hauptspindel 15 ein Neigungswinkel e gemessen wird. Der oberflächenbildende materielle Punkt 11 einer Schneidekante 22 einer Wendeplatte 21 des Fräserkörpers 16 wird durch Justierschrauben 23 und 23 a derart eingestellt, daß zwischen dem Punkt 11 und der Achse des Fräserkörpers 16 sich eine Distanz R ergibt. Danach wird die Wendeplatte 21 in dem Fräserkörper 16 justiert. Die Zahl der Wende­ platten kann den Abmessungen des Fräserkörpers 16 entsprechend frei gewählt werden.

Die Einstelldaten werden wie folgt berechnet:

Darin ist:

z _k die Zahl der Zähne zwischen den beiden entgegen­ gesetzten Zahnflanken 6, 6 a, deren Wert frei gewählt werden kann. Es muß aber beachtet werden, daß mit einem größeren Wert von z _k der maximale Abstand zwischen den entgegengesetzten Zahnflanken 6, 6 a und dem Mantel des schiefwinkligen Kreiszylinders 7 kleiner und damit die Genauigkeit der Bearbeitung größer wird;

ε = 90° - arc tan ,

worin

worin

Infolge dieser Einstellung verläuft die Hauptspindel 15 senkrecht zu der Ebene 10. Der oberflächenbildende materielle Punkt 11 wird auf dem Mantel des Kreiszylinders 7 bewegt.

Die senkrechte Position der Hauptspindel 15 zu der Ebene 10 wird für die praktische Durchführung, d. h. für die Möglichkeit des Folgens der Richtung der Zahnlückenkanten 5, 5 a mit dem materiellen Punkt 11 benötigt.

c) Die Drehbewegung der Hauptspindel 15 und der vertikale Arbeitsvorschub e werden eingeschaltet. Die Kante des Werkstückes 20 wird an zwei Stellen berührt, und der Abstand C der Berührungspunkte wird gemessen. Die Position des Maschinentisches 17 ist richtig eingestellt, wenn der Abstand C einen Wert aufweist, der mit der folgenden Gleichung berechnet werden kann:

worin

Infolge dieser Einstellung berührt der Mantel des Kreiszylinders 7 die beiden entgegengesetzten Zahn­ flanken 6, 6 a entlang je einer Linie 8, bzw. 8 a bei dem Mitteldurchmesser der Schaltkeilver­ zahnung.

d) Der Maschinentisch 17 wird in vertikaler Richtung in Arbeitsvorschub - schnellen Rückzug geschaltet, und der Weg des Arbeitsvorschubes e wird so eingestellt, daß der auf der Wendeplatte 21 befindliche materielle Punkt 11 sich auf der bearbeiteten Zahnflanke mindestens bis zur Grenze 4 a der Zahngrundabrundung 4 bewegt und daß auf der nicht bearbeiteten Zahnflanke eine Zugabe F verbleibt. Nach schnellem Rücklauf wird geteilt. Dieser Zyklus wird der Zahl der Zähne entsprechend, d. h. z-mal wiederholt.

Diese Situation kann aus Fig. 6 entnommen werden. Aus dieser Figur ist auch der Spanquerschnitt ersichtlich. Die Schneidesicherheit ist im linken letzten Streifen in der Figur veranschaulicht (die Schraffur verläuft dort kreuz und quer). Von der als erstes bearbeiteten Zahnflanke werden die Spanquerschnitte 24 und 24 a, von der als zweite bearbeiteten Zahnflanke die Spanquerschnitte 25 und 25 a nacheinander entfernt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für die folgenden Bearbeitungsverfahren geeignet:

• - Fertigbearbeitung ohne Vorbearbeitung in einem Schritt mit Fräsen oder Schleifen;
• - Vorbearbeitung vor dem Schleifen mit Fräsen;
• - Fertigbearbeitung einer vorbearbeiteten Verzahnung mit Schleifen.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden beschrieben:

• - das Werkstück ist aus einem unlegierten Kohlenstoffstahl ausgebildet, die Abmessungen sind:
  D=92 mm, d=81,8 mm, z=48, β=30°;
• - die Einstellungsdaten betragen:
  ε=37,56°, η=4,75°, R=47,996 mm, C=66,102 mm;
• - die Maschinendaten betragen:
  vertikale Fräsmaschine wie in Fig. 4,
  n=240 Umdrehungen pro Minute, e=60 mm pro Minute;
• - als Fräskörper wird ein Messerkopf mit drei Wende­ platten verwendet;
  Wendeplatten: Einsatz SANDVIK COROMAT Type TPUN 110304;
• - die maschinelle Haupt- und Nebenzeit beträgt: 3,0 Minuten; bis zur Fertigbearbeitung soll der Maschinentisch 96-mal bewegt werden;
• - der wahrscheinliche Fehler der Teilung der Zähne beträgt: 0,04 mm.

Die Werkzeugkosten sind wegen des modernen, billigen, in Massenproduktion hergestellten Werkzeugmaterials (Hartmetallschneide) niedriger.

Zusammengefaßt kann festgestellt werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von radialen Schalt­ keilverzahnungen ein grundliegend neues Verfahren ist, das eine nicht zu erwartende Erhöhung der Produktivität sowie der Qualität und der Wirtschaftlichkeit erbringt.

Claims (3)

1. Radiale Schaltkeilverzahnung für Kupplungen, die entgegengesetzte schiefe Zahnflanken aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die entgegen­ gesetzten Zahnflanken (6, 6 a) durch Mantelteile eines schief­ winkeligen Zylinders (7) gebildet sind, der eine Grundplatte (9) aufweist, welche in einer Ebene (10) liegt, die durch den beiden entgegengesetzten Zahnflanken (6, 6 a) zugehörige Zahnlückenkanten (5, 5 a) bestimmt ist.

2. Verfahren zur Herstellung einer radialen Schaltkeilverzahnung für Kupplungen nach Anspruch 1, insbesondere einer Hirtschen Verzahnung, wobei ein System bestehend aus einer Werkzeugmaschine und einem durch eine Hauptspindel gehaltenen Werkzeug einer Spann­ vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das System derart einge­ stellt wird, daß eine Oberfläche bildende Punkte (11) des Werkzeuges (16) entlang des Mantels eines schiefwinkeligen Kreiszylinders (7) bewegt werden, der eine Grundplatte (9) aufweist, die in einer Ebene (10) liegt, die durch jeweils zwei entgegengesetzte Zahnflanken (6, 6 a) zugehörigen Zahn­ lückenkanten (5, 5 a) bestimmt ist, so daß der schiefwinkelige Kreiszylinder (7) die beiden entgegengesetzten Zahnflanken (6, 6 a) entlang je einer Geraden (8, 8 a) berührt, während die Achse der das Werkzeug haltenden Hauptspindel (15) senk­ recht zu der Ebene (10) die durch die den beiden entgegengesetzten Zahnflanken (6, 6 a) zugehörenden Zahnlückenkanten (5, 5 a) bestimmt ist, gerichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erzeugungslinie (26) und eine Leitlinie (27) der Zahnflanken (6, 6 a) nach dem Spurlinienverfahren hergestellt werden.