DE3827175A1 - Verfahren und vorrichtung zur endbearbeitung der zahnoberflaeche eines zahnrades - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Endbearbeitung der Zahnoberfläche eines Zahnrades gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 8 und 16.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Endbearbeitung der Oberfläche eines Zahnradzahns, wobei das entsprechende Zahnrad im Betrieb einen geringeren Geräuschpegel aufweist und weniger Wärme erzeugt.

Werkzeugmaschinen und Automobile enthalten eine große Anzahl von Zahnrädern. Diese Zahnräder werden mit Hilfe eines Zahnradschneidprozesses hergestellt, bei dem eine Zahnradabwälzfräsmaschine oder ein Zahnradhobel zum Einsatz kommen. Im Anschluß daran erfolgt eine Zahnoberflächen-Endbearbeitung mittels einer Zahnradschleifmaschine, die z. B. eine Zahnrad-Schabeinrichtung oder eine Zahnrad-Schleifeinrichtung enthält.

Bei einer derartigen Vorgehensweise hängt die Güte der bearbeiteten Zahnoberfläche in starker Weise von der Genauigkeit der Form der Zahnrad-Schabeinrichtung oder der Zahnrad-Schleifeinrichtung, von der Qualität der Werkzeuge der verschiedenen Maschinen sowie von der Genauigkeit ab, mit der ihre Rotationsbewegungen synchronisiert sind. Die End­ bearbeitung einer Zahnoberfläche mit Hilfe einer Zahnrad- Schleifmaschine weist den Nachteil auf, daß Irregularitäten oder Fehlstellen in vorbestimmten Intervallen auf der Zahnoberfläche entstehen, und zwar in Übereinstimmung mit einem festen Teilungsvorschub. Die Formen der Teile in der Nähe des Zahnes sind ferner begrenzt, und zwar infolge der Notwendigkeit, ein Relief für die Schleifeinrichtung zu bilden.

Die Fig. 1 zeigt die Seitenansicht eines Teils eines hergestellten Zahnrades 1, das auch als Werkstückzahnrad bezeichnet werden kann. Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1. Bei der Endbearbeitung der Zahnoberflächen 30 des Zahnrades 1 wird ein für die Endbearbeitung geeignetes Werkzeug, z. B. ein Schleifwerkzeug, in Zahnspurrichtung bewegt, also im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1. Die Zahnspurrichtung ist in Fig. 2 mit dem Pfeil 6 bezeichnet. Das Schleifwerkzeug wird also entlang des Pfeils 6 in Fig. 2 bewegt, um die Endbearbeitung der Zahnoberflächen 30 durch den Schleifvorgang vorzunehmen.

Bei einer derartigen Endbearbeitung werden Ungleichmäßigkeiten auf der Zahnoberfläche 30 infolge eines Teilungsfehlers hervorgerufen, wobei sich ein Zahnprofilfehler mit einer im µm-Bereich liegenden Genauigkeit korrigieren läßt. Da jedoch das Schleifwerkzeug in Zahnspurrichtung 6 in Fig. 2 verschoben wird, werden weiterhin laterale Ungleichmäßigkeiten der Oberfläche des Schleifwerkzeugs auf die Zahnoberfläche 30 übertragen, die in Fig. 3 mit den Bezugszeichen e und v markiert sind. Diese Oberflächenunebenheiten auf der Zahnoberfläche 30 können durch Nivellierung der Oberfläche des Schleifwerkzeugs vermindert werden. Die Kornlücken der Oberfläche des Schleifwerkzeugs verschmutzen bzw. verstopfen dann aber relativ schnell, so daß die Oberfläche des Zahnrads 1 nicht mehr exakt korrigiert werden kann. Es ist daher schwierig, die Zahnoberflächen 30 des Zahnrads 1 so endzubearbeiten, daß sie jeweils der gleichen glatten Kurve oder Linie folgen.

Ferner lassen sich die einzelnen Zahnoberflächen 30 auch nicht in exakt gleicher Weise herstellen, da das Schleifwerkzeug selbst im allgemeinen leichte Ausnehmungen bzw. Ausfälle aufweist und sich Ungleichmäßigkeiten auf einer Zahnoberfläche 30 des Zahnrads 1 von denen unterscheiden, die auf anderen Zahnoberflächen 30 des Zahnrads 1 erzeugt werden. Die Zahnoberflächen 30 der jeweiligen Zähne des konventionellen Zahnrads 1 weisen somit verschiedene Formen auf. Die Zahnoberflächen 30 besitzen darüber hinaus keine befriedigende Oberflächenrauhigkeit entlang ihrer Zahnoberflächenkurven, z. B. entlang der Involuten bzw. Abwicklungskurven. Ihre Endformen unterscheiden sich letztlich stark voneinander.

Die Fig. 4 zeigt ein anderes konventionelles Verfahren zur Endbearbeitung eines herzustellenden bzw. Werkstückzahnrads 1, das mit einem Lehrzahnrad 2 in Eingriff steht. Bei diesem konventionellen Verfahren schwingt bzw. vibriert das Lehrzahnrad 2 (master gear) entlang der Linie X, die die Zentrumsachsen 4, 5 des Lehrzahnrads 2 und des Werkstückzahnrads 1 schneidet. Auf diese Weise läßt sich die Endgüte der Zahnoberflächen 30 ein wenig verbessern.

Bei dem zuletzt beschriebenen Verfahren treten jedoch weiterhin Schwierigkeiten auf, da der tatsächliche Kontaktpunkt C der miteinander in Eingriff stehenden Zahnradoberflächen der Zahnräder 1 und 2 einen Kontakt mit einem bestimmten Winkel α bildet. Dieser Winkel α wird als sogenannter "Eingriffswinkel" (pressure angle) bezeichnet. Vibrieren bzw. schwingen daher die Zahnräder 1 und 2 entlang der Verbindungsachse X, so stößt die Zahnradoberfläche 30′ des Lehrzahnrads 2 in die Zahnradoberfläche 30 des Werkstückzahnrads 1, und gleitet nicht über diese hinweg, so daß durch resultierende Schwingungsbewegung unnötige Unebenheiten auf der Zahnradoberfläche 30 hervorgerufen werden. Die Zahnradoberfläche 30 weist somit letztlich nicht die ideale Involute bzw. Abwicklungskurve auf.

Um das oben genannte Problem zu beseitigen, sollte der Kontaktpunkt C nicht unterhalb der Involute des Werkstückzahnrads liegen und vorzugsweise entlang der Involute der Werkstückzahnradoberfläche oder entlang der Eingriffs- bzw. Drucklinie gleiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Endbearbeitung der Zahnoberfläche eines Zahnrades zu schaffen, bei dem das Werkstückzahnrad und das Lehrzahnrad so relativ zueinander in Schwingungen versetzt werden, daß die Zahnfläche 30′ des Lehrzahnrads nicht mehr unterhalb der Involute bzw. Abwicklungskurve der Zahnoberfläche 30 des Werkstückzahnrads zu liegen kommt und vorzugsweise auf letzterer entlanggleitet.

Ziel der Erfindung ist es ferner, eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Die verfahrensseitige Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorrichtungsseitige Lösungen sind den kennzeichnenden Teilen der nebengeordneten Patentansprüche 8 und 16 zu entnehmen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, die auch eine Darstellung des Standes der Technik umfaßt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht eines konventionell hergestellten Zahnrades,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilansicht des konventionell hergestellten Zahnrads entlang der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine Draufsicht auf konventionell miteinander in Eingriff stehende Zähne zweier Zahnräder,

Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips,

Fig. 6 eine Draufsicht auf zwei nach der Erfindung in Eingriff miteinander stehende Zahnräder,

Fig. 7 eine genauere Darstellung zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung,

Fig. 9 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 8,

Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 11 eine Draufsicht auf das in Fig. 10 dargestellte Ausführungsbeispiel,

Fig. 12 einen Querschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 11,

Fig. 13 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 12,

Fig. 14 einen Querschnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 12, und

Fig. 15 einen Querschnitt entlang der Linie VII-VII in Fig. 12.

Die Fig. 5 zeigt das Grundkonzept der Erfindung. Die Zahnoberfläche 30 des Zahnrades weist eine ideal gekrümmte Oberfläche auf, die als Involute bezeichnet wird. Anhand dieser Fig. 5 läßt sich erkennen, daß das Werkstückzahnrad 1 (zu bearbeitendes Zahnrad) und das Lehrzahnrad 2 (master gear) so zueinander schwingen bzw. vibrieren, daß der Kontaktpunkt C exakt entlang der Involute I bewegt wird. Das Werkstückzahnrad 1 und das Lehrzahnrad 2 lassen sich ferner entlang jeder beliebigen Richtung in Schwingungen zueinander setzen, z. B. entlang der Eingriffs- bzw. Drucklinie P, oder bei Betrachtung der Schwingungsbewegung des Lehrzahnrads 2 allein auch in Richtung R oder R′, solange die Zahnoberfläche 30′ des Lehrzahnrads 2 nicht in die Involute I bzw. Abwicklungskurve der Zahnoberfläche 30 des Werkstückzahnrads 1 eindringt. Mit anderen Worten läßt sich die Zahnoberfläche 30′ des Lehrzahnrads 2 so bewegen, daß sie nicht unterhalb der Involute bzw. Abwicklungskurve der Zahnoberfläche zu liegen kommt, die endbearbeitet werden soll. Beide Kurven R und R′ stellen Kreise dar, die jeweils den Kontaktpunkt C passieren und eine Tangente P aufweisen, die durch den Kontaktpunkt C hindurchläuft.

Es können somit verschiedene Schwingungs- bzw. Vibrationsbewegungen ausgeführt werden, z. B. entlang der Involute I des Werkstückzahnrads 1, entlang der Involute I′ des Lehrzahnrads 2, entlang der Drucklinie P, entlang jeder Kurve im schraffiert eingezeichneten Bereich zwischen den beiden Involuten I und I′, der die Tangente P enthält, oder bei Betrachtung der Bewegung des Lehrzahnrads 2 allein auch entlang der Kurven R und R, da am Knotenpunkt C beide Kurven R und R′ miteinander koinzidieren. Im Kontaktpunkt C stellt somit die Tangente P eine Tangente für alle Kurven R, R′, I und I′ dar.

Die Fig. 6 zeigt das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip. Entsprechend der Fig. 6 befinden sich ein Werkstückzahnrad 1 und ein Lehrzahnrad 2, das der Endbearbeitung dient, in Eingriff miteinander. Beide Zahnräder kämmen miteinander und berühren sich am Gleitkontaktpunkt C. Das Lehrzahnrad 2 wird in Richtung des Pfeils B gedreht, und zwar durch die Rotation des Werkstückzahnrads 1. An die Drehachse 4 des Lehrzahnrads 2 wird eine Bremskraft angelegt, derart, daß eine geeignete Oberflächenlast auf den Kontaktpunkt C wirkt. Auf die Zahnflächen des Lehrzahnrads 2 können Diamantkörnchen galvanisch niedergeschlagen sein, so daß das Lehrzahnrad 2 eine bessere Endbearbeitungseigenschaft aufweist. Die Zahnoberflächen des Werkstückzahnrads 1 werden dabei durch gleitenden Kontakt mit dem Lehrzahnrad 2 endbearbeitet.

Ein Winkel α liegt zwischen der Linie X, die die Drehachse 5 des Werkstückzahnrads 1 und die Drehachse 4 des Lehrzahnrads 2 schneidet, und der Tangente P. Dieser Winkel α ist der bereits erwähnte Eingriffswinkel. Die Drehachse 4 des Lehrzahnrads 2 schwingt vor und zurück in Richtung des Pfeils S, der parallel zur Drucklinie P (Tangente) liegt. Die Schwingungsbewegung des Lehrzahnrads 2 braucht nicht unbedingt eine geradlinige Bewegung zu sein. Sie kann vielmehr entlang irgendeiner Bahn bzw. Richtung erfolgen, die innerhalb des Bereichs zwischen der Linie P und der Linie I liegt, wie bereits zuvor erwähnt. Die Bewegung des Lehrzahnrads 2 kann auch entlang der Kurve R erfolgen, wie die Fig. 5 zeigt.

Die Fig. 7 zeigt genauer, wie das Lehrzahnrad und/oder das Werkstückzahnrad in Schwingungen versetzt werden. Dreht sich die Zahnoberfläche 30 des Werkstückzahnrads 1 im Gegenuhrzeigersinn, so dreht sich die Zahnoberfläche 30′ des Lehrzahnrads 2 im Uhrzeigersinn. Wird die Zahnoberfläche 30 des Werkstückzahnrads 1 vom Punkt 30₁ über den Punkt 30₂ zum Punkt 30₃ bewegt, so bewegt sich die Zahnoberfläche 30′ des Lehrzahnrads 2 vom Punkt 30′₁ über den Punkt 30′₂ zum Punkt 30′₃. Die Drucklinien P₁, P₂ und P₃ (Tangenten) zwischen diesen Oberflächen bleiben parallel. Der Kontaktpunkt C zwischen den Zahnoberflächen 30 und 30′ verschiebt sich entlang der Zahnoberflächen und wandert entlang einer Tangente T, die eine Tangente an die Grundkreise der Zahnräder 1 und 2 ist. Werden daher beide Zahnräder 1 und 2 entlang der Drucklinie zwischen diesen Zahnrädern hin- und herbewegt bzw. in Schwingungen versetzt, so schwingt der Kontaktpunkt C zwischen den Zahnoberflächen 30 und 30′ entlang der Drucklinien P₁, P₂ und P₃, unabhängig von seiner Position.

Der Punkt Y ist der Interferenzpunkt oder Zentrumspunkt der Kurve der Involute I der Zahnoberfläche 30 des Werkstückzahnrads 1. Werden daher das Werkstückzahnrad 1 und/oder das Lehrzahnrad 2 um den Interferenzpunkt Y herum in Schwingungen versetzt, so schwingt der Kontaktpunkt C immer entlang der Involute der Zahnoberfläche 30 des Werkstückzahnrads 1. Werden dagegen das Werkstückzahnrad 1 oder das Lehrzahnrad 2 um einen Punkt herum in Schwingungen versetzt, der auf der Tangente T liegt, jedoch vom Interferenzpunkt Y und bezüglich des Zähnekontaktpunkts beabstandet ist, so wird der Kontaktpunkt C innerhalb eines Bereichs hin- und herbewegt, der unterhalb der Drucklinie P im schraffierten Bereich in Fig. 5 liegt. Je weiter der Schwingungs- bzw. Drehpunkt vom Interferenzpunkt Y entfernt ist, je mehr nähert sich die Schwingungsbewegung der Drucklinie P an. Gemäß der Fig. 7 wird das Lehrzahnrad 2 an einem Punkt 16 um einen Punkt 8 hin- und herbewegt. Es ist aber ersichtlich, daß die relative Hin- und Herbewegung am Kontaktpunkt C immer tangential zur Zahnoberfläche am Kontaktpunkt C verläuft, solange die Zahnräder um irgendeinen Punkt auf der Tangente T herum relativ zueinander hin- und herbewegt werden.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung zur Endbearbeitung der Zahnoberflächen eines Werkstückzahnrads wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 8 bis 15 näher beschrieben.

Entsprechend Fig. 8 ist ein Werkstückzahnrad 12 bzw. zu bearbeitendes Zahnrad fest auf einer Antriebsachse 11 montiert, die durch einen nicht dargestellten Antriebsmotor angetrieben wird. Ein Lehrzahnrad 13 bzw. Master Gear, das in Eingriff mit dem Werkstückzahnrad 12 steht, ist fest auf einer drehbar angeordneten Lagerachse 14 montiert.

Eine Drehachse 8 befindet sich an einer geeigneten Position auf einer Tangente T und im Abstand zum Lehrzahnrad 13. Die Position der Drehachse 8 läßt sich durch eine konventionelle Einrichtung einstellen bzw. justieren. Zwei vertikal voneinander beabstandete Schwingungshebel 15 sind auf der Drehachse 8 gelagert und an jeder Seite des Lehrzahnrads 13 positioniert, so daß das Lehrzahnrad 13 über die Drehachse 8 in Schwingungen versetzt werden kann. Die Lagerachse 14 wird durch die beiden Schwingungshebel 15 getragen. Eine Einstelleinrichtung 25 dient zum Einstellen der jeweiligen Länge eines Schwingungshebels 15. Ein Längsschlitz 16 ist am hinteren Ende eines jeden Schwingungshebels 15 vorhanden, also an dem der Drehachse 8 abgewandten Ende.

Ein verlängerter Stift 17 greift lose in die Schlitze 16, 16 ein. Der Stift 17 ist mit einem Antriebsmotor 19 über einen Kurbelarm 18 verbunden. Wird der Antriebsmotor 19 angetrieben bzw. gedreht, so dreht sich auch der verlängerte Stift 17 über den Kurbelarm 18. Der Stift 17 verursacht daher eine Schwing- bzw. Vibrationsbewegung der Schwingungs­ hebel 15, 15 in Richtung des Pfeils 20 um die Drehachse 8 herum. Die hin- und hergehende Bewegung der Schwingungshebel 15 verursacht eine entsprechende Schwingungsbewegung des Lehrzahnrads 13. Es sei darauf hingewiesen, daß die hin- und hergehende Bewegung des Lehrzahnrads 13 sich der geraden Drucklinie P (Tangente) um so mehr annähert, je größer der Abstand zwischen der Drehachse 8 und dem Stift 17 ist.

Die Schwingungsbewegung des Kontaktpunkts C wird durch den Bogen I′ dargestellt. Befindet sich die Drehachse 8 am Interferenzpunkt Y des Werkstückzahnrads 12, so ist I′ immer identisch mit der Involute I der Zahnoberfläche 30 des Werkstückzahnrads 12.

Wird daher die Schwingungsbewegung des Werkstückzahnrads 12 allein betrachtet, so kann die Position der Drehachse 8 auch innerhalb des Interferenzpunkts Y liegen. Andererseits muß die Position der Drehachse 8 das Lehrzahnrad 13 auf dem Interferenzpunkt Y oder an einer anderen Position liegen, die vom Interferenzpunkt Y entfernt ist.

Befindet sich jedoch die Drehachse 8 am Punkt 8′′ bzw. auf der rechten Seite der in Fig. 8 dargestellten Linie X auf der Tangente T, und wird das Werkstückzahnrad 12 allein hin- und herbewegt, so muß die Position der Drehachse 8′′ auf dem Interferenzpunkt Z des Lehrzahnrads 13 oder an einer Position liegen, die von diesem Interferenzpunkt Z entfernt ist. Wird andererseits das Lehrzahnrad 13 allein hin- und herbewegt, so kann die Position der Drehachse 8′′ auch zwischen dem Kontaktpunkt C und dem Interferenzpunkt Z liegen.

Eine Bremseinrichtung 35 ist vorhanden, um das Lehrzahnrad 13 abzubremsen. Der Kontaktdruck der Bremseinrichtung 35 auf das Lehrzahnrad 13 läßt sich auf einen gewünschten Wert einstellen, wenn sich das Lehrzahnrad 13 dreht und mit dem Werkstückzahnrad 12 kämmt.

Soll das Werkstückzahnrad 12 endbearbeitet werden, so wird das Lehrzahnrad 13 vorzugsweise um einen solchen Betrag hin- und herbewegt, der etwa zwischen 1/10 bis 1/50 des Moduls des Lehrzahnrads 13 liegt. Dieser Modul wird wie folgt definiert:

Die erforderliche Anzahl der hin- und hergehenden Bewegungen des Standard- bzw. Lehrzahnrads 13 zur Endbearbeitung des Werkstückzahnrads 12 wird vorzugsweise so gewählt, daß sie etwa 200- bis 300mal so groß wie die Anzahl der Umdrehungen des Werkstückzahnrads 12 ist. Das Lehrzahnrad 13 und das Werkstückzahnrad 12 stehen vorzugsweise so in Eingriff miteinander, daß am Ende der hin- und hergehenden Bewegung des Lehrzahnrads 13 in Richtung auf das Werkstückzahnrad 12 das Lehrzahnrad 13 vorzugsweise im tiefstmöglichsten Eingriffszustand mit dem Werkstückzahnrad 12 steht, und zwar bezogen auf einen normalen Eingriffszustand zwischen beiden Zahnrädern.

Die Positionen und Winkel von Werkstückzahnrad und Lehrzahnrad lassen sich in Übereinstimmung mit den Zahnradtypen einstellen, bei denen es sich um ein kegelförmiges Zahnrad, Spiralzahnrad, oder dergleichen, handeln kann. Die Einstellung erfolgt in der Weise, daß die Zahnoberfläche des Lehrzahnrads nicht in die Involute bzw. Abwicklungskurve der Zahnoberfläche des Werkstückzahnrads eindringt.

Das Lehrzahnrad 13 kann ferner ein modifiziertes Zahnprofil neben einem theoretisch genauen Zahnprofil aufweisen und ein Zahnrad mit einer Form sein, die keine zylindrische Form ist. Beispielsweise kann es sich um ein stangenförmiges oder um ein ovales Zahnrad handeln. Auch das Werkstückzahnrad 12 kann eine andere als zylindrische Form aufweisen, z. B. eine stangenförmige, eine ovale oder eine innenverzahnte bzw. Hohlzahnradform. Die Bremseinrichtung 35 kann auch fortgelassen werden, während die Lagerachse 14 antreibbar sein kann. Die Antriebsachse 11 und die Lagerachse 14 können mittels einer Synchronisationseinrichtung 22 synchron gesteuert bzw. angetrieben werden, so daß die gewünschte Bremskraft oder Drehung auf die Zahnräder 12 und 13 übertragen werden können, ohne eine Bremseinrichtung 35 vorsehen zu müssen. Statt der Bremseinrichtung 35 oder der Synchronisationseinrichtung 22 können auch Servomotoren 50 zum Einsatz kommen, die mittels eines Computers numerisch gesteuert werden, um die Drehzahl der Zahnräder einstellen zu können. Der Betrieb der Bremseinrichtung 35, der Synchronisationseinrichtung 22 oder der Servomotoren 50 läßt sich mit Hilfe einer Rotationssteuereinrichtung steuern.

Das Lehr- bzw. Standardzahnrad 13 wird aus einer Platte aus einer gesinterten, harten Legierung herausgeschnitten, und zwar mit Hilfe eines Verfahrens unter Anwendung von elektrisch erzeugten Funken, wobei anschließend die Zähne des Lehrzahnrads 13 endbearbeitet werden. Es kann auch dadurch erzeugt werden, daß auf ein Basiszahnrad aus einem speziellen Zahnstahlmaterial Diamantstaub galvanisch niedergeschlagen oder CBN (kubisches Bornitrid) aufgebracht wird. Ferner läßt sich das Lehrzahnrad 13 dadurch herstellen, daß auf ein Zahnradelement aus Werkzeugstahl mit galvanisch abgeschiedenem Diamant bzw. CBN weiterhin als Abdeckung TiC oder TiN aufgebracht werden.

In den Fig. 8 und 9 bezeichnen die Bezugsziffern 23 und 24 jeweils Sicherungsstifte und eine Führung für die Schwingungshebel 15.

Die Bremseinrichtung 35 besitzt zwei Bremselemente 36 und 37, die jeweils um einen Drehstift 38 drehbar sind. Jedes Bremselement 36 oder 37 ist mit einer kreisförmigen Ausnehmung 41 oder 42 an seiner inneren Seitenfläche 3 versehen, und zwar im wesentlichen am mittleren Punkt des Bremselements 37. An der Spitze des Bremselements 37 ist eine Durchgangsbohrung 43 vorgesehen. Die Durchgangsbohrung 43 weist ein Innengewinde auf. An der gegenüberliegenden Seite des Bremselements 37 ist ein Bolzen 39 mit einer Feder 40 innerhalb des Bremselements 36 vorhanden. Die auf die Lagerachse 14 wirkende Bremskraft läßt sich daher über den Bolzen 39 einstellen.

Statt der Bremseinrichtung 35 kann auch irgendeine andere geeignete, konventionelle Bremseinrichtung 21 entweder auf der Lagerachse 14 oder der Antriebsachse 11 vorhanden sein.

Im folgenden wird das Verfahren zur Endbearbeitung einer Zahnoberfläche eines Zahnrades genauer erläutert. Das Standard- oder Lehrzahnrad 13 wird in kämmenden Kontakt mit dem Werkstückzahnrad 12 gebracht, und zwar mit oder ohne Anwendung einer Arbeitsflüssigkeit zwischen diesen beiden Zahnrädern 12 und 13, wobei die Antriebsachse 11 gedreht wird, um das Werkstückzahnrad 12 mit einer Rotationsgeschwindigkeit zu drehen, die beispielsweise 100 Umdrehungen pro Minute beträgt.

Das mit dem Werkstückzahnrad 12 kämmende Lehrzahnrad 13 wird gedreht, während durch die Rotationssteuereinrichtung 21 oder 22 eine Bremskraft an das Lehrzahnrad 13 angelegt wird. Zwischenzeitlich dreht sich der Drehstift 17 in den Schlitzen 16, wobei der Drehstift 17 über den Antriebsmotor 19 angetrieben wird. Infolge der Drehung des Stifts 17 bewegen sich die Schwingungshebel 15 in Richtung des Pfeils 20 um die Drehachse 8 hin und her, wie in Fig. 8 zu erkennen ist. Infolge der hin- und hergehenden Bewegung der Schwingungshebel 15 bewegt sich das Lehr- bzw. Standardzahnrad 13 1000- bis 3000mal pro Minute in Richtung auf das Werkstückzahnrad zu und von diesem weg. Vom Beginn bis zum Ende des Eingriffs zwischen dem Lehrzahnrad 13 und dem Werkstückzahnrad 12 steht somit das Lehrzahnrad 13 in gleichförmigem Reibkontakt mit der anliegenden Zahnfläche 30 des Werkstückzahnrads 12 in Richtung des Pfeils I′, um alle konvexen Bereiche der Zahnoberfläche 30 des Werkstückzahnrads 12 abzutragen bzw. zu polieren. Die hin- und hergehende Bewegung des Lehrzahnrads 13 in Richtung des Pfeils I′ führt nicht zu einer lokalen Schwächung oder zu einem Bruch der Zahnoberfläche 30 des Werkstückzahnrads 12. Nach Beendigung der Endbearbeitung des Werkstückzahnrads 12 in der oben beschriebenen Weise wird das Werkstückzahnrad 12 von der Antriebsachse 11 abgenommen, wobei es nach einem Umklappen wieder auf der Antriebsachse 11 montiert wird. Es wird jetzt der oben beschriebene Endbearbeitungsprozeß noch einmal durchgeführt, um die andere Oberfläche 30₁ der Zähne des Werkstückzahnrads 12 zu bearbeiten. Statt das Werkstückzahnrad 12 umzuklappen kann es auch in der entgegengesetzten Richtung gedreht werden.

In einem solchen Fall sollte die Antriebsachse 8 auf einer anderen Tangente T′ liegen, wie durch das Bezugszeichen 8′′′ angegeben ist.

Mit Hilfe des oben beschriebenen Endbearbeitungsverfahrens lassen sich die Zahnoberflächen 30 oder 30′ des Werkstückzahnrads 12 insgesamt und gleichförmig durch die entsprechenden Zähne des Lehrzahnrads 13 in Zahntiefenrichtung oder in Radialrichtung des Werkstückzahnrads 12 endbearbeiten bzw. polieren. Es entstehen keine Unebenheiten in Breitenrichtung der Fläche und in Axialrichtung des Werkstückzahnrads 12, so daß die Zahnoberfläche 30 insgesamt glatt endbearbeitet bzw. poliert ist. Da mit Hilfe der Bremseinrichtung 35 oder 21 oder durch die Synchronisationseinrich­ tung 22 eine bestimmte Bremskraft auf das Lehrzahnrad 13 ausgeübt wird, stehen die ineinandergreifenden Oberflächen von Lehrzahnrad 13 und Werkstückzahnrad 12 in engem Radkontakt miteinander, ohne daß ein Spiel zwischen ihren Zähnen auftritt, was ebenfalls zur einheitlichen und glatten Endbearbeitung der Zahnoberflächen 30 des Werkstückzahnrads 12 beiträgt.

Die Fig. 10 bis 15 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Vorrichtung enthält ein Bett 208, eine Säule 209, ein Trägerelement 210, ein hin- und herbewegbares Element 211 und eine exzentrische Kurvenscheibe 212 zur hin- und hergehenden Bewegung des Elements 211.

Das hin- und herbewegbare Element 211 wird in schwimmender Weise bezüglich eines am oberen Ende liegenden Empfängers 230 und bezüglich eines Elements 215 durch ein Luftlager gelagert, wie in den Fig. 12 bis 15 dargestellt ist. Das Luftlager wird zur Reibungsverminderung verwendet und verhindert, daß Staub zwischen die gleitenden Teile tritt.

Die Verwendung eines Luftlagers erlaubt eine Endbearbeitung mit hohem Grad an Genauigkeit und über eine lange Zeit. Die Luftkompressorquelle für das Luftlager ist nicht im einzelnen dargestellt, weist aber einen üblichen Aufbau auf und versorgt das Luftlager mit Abluft. Auf eine detaillierte Beschreibung wird an dieser Stelle verzichtet.

Wie den Fig. 12 und 13 zu entnehmen ist, wird von der nicht dargestellten Luftkompressorquelle Luft, die etwa unter einem Druck von 5 Atmosphären steht, zu Eingangsöffnungen 220 und 220′ geliefert. Die zugeführte Luft strömt durch Luftführungsfurchen 219 und 219′ in Richtungen, die mit den Pfeilen F angegeben sind, wobei sich die Luft über die Lagerfläche D verteilt, um einen Luftfilm zu bilden.

Schmieröl kann der unter Druck stehenden Luft zugemischt werden, um eine zusätzliche Schmierung und einen Korrosionsschutz zu erhalten.

Das Lehrzahnrad 202 wird mit Hilfe der exzentrischen Kurvenscheibe 212 hin- und herbewegt, die innerhalb einer Kurvenscheibenausnehmung 213 drehbar gelagert ist, wobei sich die Kurvenscheibenausnehmung 213 in einer geeigneten Position am Arm 214 befindet, der am Element 211 befestigt ist, wie die Fig. 13 zeigt. Die Kurvenscheibe 212 wird mit Hilfe eines Motors M₁ gedreht, und zwar über eine flexible Achse G, wie die Fig. 10 und 12 zeigen.

Das Element 211 ist im drehbaren Schwenkelement 215 mit einem dazwischenliegenden Luftlager so gelagert, daß eine Trägerachse 216 des Lehrzahnrads 202 jede gewünschte Winkelposition einnehmen kann, z. B. in Richtung des Eingriffswinkels α₁ im vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie die Fig. 13 zeigt.

Eine Bremse 221 oder eine Synchronisationseinrichtung 222 sind vorhanden, um eine geeignete Bremskraft bzw. Feststellkraft auf jedes Zahnrad ausüben zu können.

Im folgenden wird der Betrieb der oben beschriebenen Einrichtung näher erläutert.

Entsprechend den Fig. 10 und 12 sind das Lehrzahnrad 202 und das Werkstückzahnrad 201 so eingestellt, daß ein Winkel zwischen der Achse des Trägerelements 210 und dem Element 214 einen Eingriffswinkel a₁ bzw. Druckwinkel bezüglich der Achse des Trägerelements 210 bildet. Das Werkstückzahnrad 210 wird durch einen Motor M₂ gedreht, während die Drehung des Lehrzahnrads 202 durch die Bremse 221, durch eine Syn­ chronisationseinrichtung 222 oder durch Servomotoren 250 vermindert wird, die ihrerseits durch eine computergesteuerte, numerische Einrichtung kontrolliert werden.

Zur selben Zeit wird die Kurvenscheibe 212 durch den Motor M₁ über die flexible Achse G gedreht. Daher wird das Lehrzahnrad 202 entlang der Drucklinie P hin- und herbewegt bzw. in Schwingungen versetzt.

Auf diese Weise wird eine Seite der Zahnfläche des Zahnrads 201 durch das Lehrzahnrad 202 endbearbeitet, welches sich dreht und zur selben Zeit in Richtung der Drucklinie P hin- und herbewegt wird.

Im vorliegenden Fall kann Maschinenöl verwendet werden, jedoch ist kein Schleifmittel erforderlich.

Damit die andere Seite der Zahnfläche des Werkstückzahnrads 201 endbearbeitet werden kann, wird das Element 211 unter einem Eingriffs- bzw. Andruckwinkel α₂ bezüglich der Linie 207 positioniert. Anschließend wird das Werkstückzahnrad 1 in entgegengesetzter Richtung wie zuvor gedreht.

Wird das Zahnrad 201 in die oben beschriebene zweite Position bewegt, wenn es ebenfalls umgeklappt worden ist, so ist es nicht nötig, die hin- und hergehende Bewegung des Lehrzahnrads 2 zu ändern.

Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Linie 217 oder die Richtung der hin- und hergehenden Bewegung gegenüber der Linie 207 um den Eingriffswinkel α₁ verschoben bzw. versetzt, wobei der Winkel jedoch auch auf einen Wert eingestellt werden kann, der ein wenig verschieden vom Eingriffswinkel ist.

Wie der vorhergehenden Beschreibung zu entnehmen ist, wird das Lehrzahnrad relativ zum Werkstückzahnrad hin- und herbewegt. Auf diese Weise wird vermieden, daß keine Irregularitäten (Ausnehmungen v und Vorsprünge e in Fig. 3) auf der Zahnoberfläche 30 des Werkstückzahnrads verbleiben. Die Genauigkeit des endbearbeiteten Zahnrads kann somit die Klasse 1 bis 3 nach DIN erreichen, was zuvor nicht der Fall war. Ferner läßt sich der Geräuschpegel in großem Umfang vermindern.

Es wurde ein Teilungstest mit den erfindungsgemäß endbearbeiteten Zahnrädern entsprechend den Fig. 8 und 9 sowie mit einem Zahnrad durchgeführt, das nur mit Hilfe eines Schleifvorgangs endbearbeitet wurde. Es wurde bei diesem Teilungstest beim Lesen der Skala eines Meßinstruments ein Punkt auf einem ersten Zahn eines jede Zahnrads als Nullpunkt gewählt. Anschließend wurden bei Drehung der Zahnräder die jeweils gleichen Punkte der aufeinanderfolgenden Zähne bis zum 23. Zahn ausgemessen. Auf der Grundlage der erhaltenen Daten wurde ein Nachbarschaftsteilungsfehler, ein Einzelteilungsfehler und ein akkumulierter Teilungsfehler berechnet, und zwar für jedes Zahnrad. Die Tabelle 1 zeigt die Daten für dasjenige Zahnrad, das nur durch einen Schleifvorgang endbearbeitet wurde. Dagegen zeigt die Tabelle 2 die Daten für das nach der Erfindung endbearbeitete Zahnrad.

Folgende Größen wurden beim durchgeführten Experiment eingestellt:

Abstand der Lagerachse 14 von der Drehachse 8|= 80 mm
Abstand der Lagerachse 14 vom Schlitz 16	= 120 mm
Werkstückzahnrad: Wälzkreisdurchmesser (pitch circle diameter)	= 51,75 mm
Zahl der Zähne	= 23
Modul	= 2,25
Lehrzahnrad: Wälzkreisdurchmesser (pitch circle diameter)	= 92,25 mm
Anzahl der Zähne	= 41
Modul	= 2,25
Vibrationsgeschwindigkeit	= etwa 1200 Hübe/min
Hubbreite	= 0,2 mm

Tabelle 1 (Schleifvorgang)

Tabelle 2 (Erfindung)

Anhand der Tabellen 1 und 2 läßt sich erkennen, daß die Werte bezüglich des Nachbarschaftsteilungsfehlers, des Einzelteilungsfehlers und des akkumulierten Teilungsfehlers, die jeweils nach der Endbearbeitung gemessen worden sind, sehr viel kleiner sind als diejenigen vor der Endbearbeitung, wie die Tabelle 3 zeigt.

Tabelle 3

Ferner wurden ein Zahnprofilfehler (Fehler in Zahntiefenrichtung) und ein Zahnspurfehler (Fehler in Zahnspurrichtung) für ein Zahnrad an vier Punkten vor und nach der Endbearbeitung gemäß der Erfindung gemessen. Danach nimmt der Zahnprofilfehler von maximal 12 µm auf maximal 11 µm ab, während der Zahnspurfehler von maximal 5 µm abnimmt. Weiterhin wurde die Oberflächenrauhigkeit bei einem nach der Erfindung behandelten Zahnrad vor und nach der Endbearbeitung an fünf Zahnflächen gemessen. Die Oberflächenrauhigkeit nahm demnach von maximal 2,5 µm auf maximal 1,5 µm ab. Auch wurde das Kämmgeräusch in einem schalldichten Raum vor und nach der Bearbeitung des Zahnrads mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessen, wobei festgestellt wurde, daß der Schalldruck bei 8000 Hz von 42 dB auf 35 dB abnahm.

Entsprechend der Erfindung wird ein Lehr- bzw. Standardzahnrad aus sehr hartem Material mit einem Werkstückzahnrad bzw. zu verarbeitendem Zahnrad in Eingriff gebracht und in Richtung auf das Werstückzahnrad hin- und herbewegt, um die Zahnoberflächen des Werkstückzahnrads durch Reibkontakt mit den Zahnoberflächen des Lehrzahnrads zu bearbeiten bzw. zu polieren. Die Zahnoberflächen des Werkstückzahnrads lassen sich daher gleichförmig und glatt endbearbeiten, wobei sich Unebenheiten entlang der Zahntiefe minimieren lassen. Auch das Zahnprofil des Werkstückzahnrads kann gleichzeitig mit der Endbearbeitung der Zahnoberflächen korrigiert werden. Das nach der Erfindung endbearbeitete Zahnrad weist somit ein Zahnprofil auf, das sehr nah am idealen Zahnprofil liegt und nur minimale Unebenheiten auf der Zahnoberfläche zeigt. Kommt daher das Zahnrad in einer Werkzeugmaschine oder in einem Automobil zum Einsatz, so kommt es glatt mit dem zugeordneten anderen Zahnrad in Eingriff, ohne daß ein lautes Kämmgeräusch beim Drehen der Zahnräder entsteht. Ferner sind nur sehr einfache Einrichtungen erforderlich, um das Verfahren nach der Erfindung durchzuführen, wobei diese Einrichtungen leicht auch durch ungeschulte Personen gehandhabt werden können, um ein Zahnrad endzubearbeiten. Besondere Erfahrungen und Fachkräfte sind nicht erforderlich, um Zahnräder nach der Erfindung herzustellen.

Beim obigen Ausführungsbeispiel können als mechanische Schwingeinrichtungen eine Kurvenscheibe, ein Ölhydraulikzylinder oder ein pneumatischer Zylinder zum Einsatz kommen, um die hin- und hergehende Bewegung des Lehrzahnrads relativ zum Werkstückzahnrad zu erzeugen. Zu diesem Zweck lassen sich aber auch unltraschallbetriebene oder elektrisch gesteuerte Schwingeinrichtungen verwenden.

Verschiedene Experimente haben gezeigt, daß es nicht unbedingt erforderlich ist, die hin- und hergehende bzw. Schwingbewegung auf einen Bereich auf der oberhalb der Involute der Zahnoberfläche des Werkstückzahnrads zu beschränken. Solange die hin- und hergehende Bewegung im wesentlichen entlang der Involute bzw. Abwicklungskurve oder entlang der Druckkurve P verläuft, ist jeder Eintritt in einen Bereich unterhalb der Involute so klein, daß der Anteil der Abtragung keinen ernsten Effekt auf der endbearbeiteten Zahnoberfläche des Zahnrads hervorruft. Die hin- und hergehende Bewegung ist unschädlich, solange sie nicht wesentlich unterhalb der Involute bzw. Abwicklungskurve der Zahnoberfläche des Werkstückzahnrads liegt.

Claims (19)

1. Verfahren zur Endbearbeitung der Zahnoberfläche (30) eines ein Werkstück darstellenden Zahnrades (1), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - das Werkstückzahnrad (1) wird mit einem Lehrzahnrad (2) in kämmenden Eingriff gebracht, um das Werkstückzahnrad (1) mit dem Lehrzahnrad (2) zu drehen, und
• - wenigstens eines der Zahnräder (1, 2) wird gleichzeitig relativ zum anderen hin- und herbewegt, derart, daß ein durch die Relativbewegung zwischen den beiden Zahnrädern (1, 2) gebildeter Kontaktpunkt (C) praktisch nicht hinter der Involute bzw. Abwicklungskurve (I) der Zahnoberfläche (30) und damit innerhalb des Werkstückzahnrads (1) zu liegen kommt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hin- und hergehende Bewegung im wesentlichen entlang einer Tangente (P) an die Zahnoberfläche (30, 30) von Werkstückzahnrad (1) und Lehrzahnrad (2) im Kontaktpunkt (C) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hin- und hergehende Bewegung im wesentlichen entlang einer Drucklinie zwischen dem Werkstückzahnrad (1) und dem Lehrzahnrad (2) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hin- und hergehende Bewegung im wesentlichen entlang der Involute der Zahnoberfläche (30) des Werkstückzahnrads (1) erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hin- und hergehende Bewegung im wesentlichen in einem Bereich erfolgt, der durch die beiden Involuten (30, 30′) der Zahnoberflächen von Werkstückzahnrad (1) und Lehrzahnrad (2) eingeschlossen ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hin- und hergehende Bewegung 1000 mal pro Minute oder häufiger durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehungen von Werkstückzahnrad (1) und Lehrzahnrad (2) synchron gesteuert sind.

8. Vorrichtung zur Endbearbeitung der Zahnoberfläche (30) eines ein Werkstück darstellenden Zahnrads (1), gekennzeichnet durch:

• - ein drehbares Werkstückzahnrad (1),
• - ein drehbares Lehrzahnrad (2), das mit dem Werkstückzahnrad (1) in kämmenden Eingriff bringbar ist,
• - eine Schwingungshebeleinrichtung (15, 15) zur Hin- und Herbewegung wenigstens eines der Zahnräder (1, 2), die einen Drehpunkt (8) an einem ihrer Enden sowie einen Träger aufweist, der wenigstens eines dieser Zahnräder (1, 2) trägt,
• - eine Antriebseinrichtung zur Drehung wenigstens eines der Zahnräder (1, 2),
• - eine Drehsteuerung zur Steuerung der Drehung wenigstens eines der Zahnräder (1, 2), und
• - eine Einrichtung (16 bis 19) zur Erzeugung der hin- und hergehenden Bewegung der Schwingungshebeleinrichtung (15, 15) um die Drehachse (8), wobei die Drehachse (8) im wesentlichen auf einer Tangente (T) an die Grundkreise von Werkstückzahnrad (1) und Lehrzahnrad (2) liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehpunkt (8) im wesentlichen an einem Interferenzpunkt (Y) (Schnittpunkt zwischen Tangente T und Radius von 1) des Werkstückzahnrads (1) liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehpunkt (8) im wesentlichen in einem Interferenzpunkt (Z) (Schnittpunkt zwischen Tangente T und Radius von 2) des Lehrzahnrads (2) liegt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehsteuerung eine Bremse (35) ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse (35) zwei Bremselemente (36, 37) aufweist, die jeweils um eines ihrer Enden an der Schwingungshebeleinrichtung (15, 15) drehbar gelagert sind, und die eine Verschlußeinrichtung (39, 40) an ihrem anderen Ende aufweisen, so daß der Öffnungsgrad der Bremselemente (36, 37) einstellbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehsteuerung eine Synchronisationseinrichtung (22) ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehsteuerung durch Servomotoren (50) gebildet wird, welche durch einen Computer numerisch steuerbar sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungshebeleinrichtung (15, 15) eine Längeneinstelleinrichtung (25) aufweist.

16. Vorrichtung zur Endbearbeitung der Zahnoberfläche (30) eines ein Werkstück darstellenden Zahnrads (1), gekennzeichnet durch:

• - ein Bett (208),
• - eine Säule (209), die im Bett (208) steht,
• - ein von der Säule (209) abstehendes Trägerelement (210), das einen Empfänger (230) an seinem oberen Ende aufweist,
• - eine drehbare Schwenkeinrichtung (215) innerhalb des Empfängers (230),
• - ein gleitend verschiebbares Element (211), das innerhalb der drehbaren Schwenkeinrichtung (215) positioniert und durch ein Luftlager abgestützt ist,
• - eine Einrichtung (212) zur Hin- und Herbewegung des gleitend verschiebbaren Elements (211),
• - ein Lehrzahnrad (202) auf einer Achse (216) des gleitend verschiebbaren Elements (211),
• - ein Werkstückzahnrad (201), das mit dem Lehrzahnrad (202) in Eingriff bringbar ist,
• - eine Antriebseinrichtung zur Drehung wenigstens eines der Zahnräder (201, 202), und
• - eine Drehsteuerung (221, 222, 250) zur Steuerung der Drehung wenigstens eines der Zahnräder (201, 202).

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehsteuerung eine Bremse (221) ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehsteuerung eine Synchronisationseinrichtung (22) ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehsteuerung durch Servomotoren (250) gebildet wird, welche durch einen Computer numerisch steuerbar sind.