DE60119915T3

DE60119915T3 - Verfahren zur herstellung von aus pulvermetallrohlingen gewalzten zahnrädern

Info

Publication number: DE60119915T3
Application number: DE60119915.4T
Authority: DE
Inventors: Christopher John Cole
Original assignee: Stackpole Powertrain International ULC
Current assignee: Stackpole Powertrain International ULC
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2015-08-13
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: EP1268102A1; ES2267734T3; AU4265901A; ES2267734T5; DE60119915T2; EP1268102B2; EP1268102B1; ATE327064T1; GB0007819D0; GB2360825A; GB2360825B; WO2001074514A1; DE60119915D1; US20040221453A1; US7137312B2

Description

Diese Erfindung betrifft Zahnräder und insbesondere das Profilwalzen von Zahnrädern aus Rohlingen aus Pulvermetall. Sie wird insbesondere bei Rädern zur Verwendung in Getrieben für Motorfahrzeuge einschließlich Personenkraftwagen und Motorräder angewendet.
Zahnräder wurden bisher herkömmlich aus Stahlguss hergestellt, wobei hierauf Gerad- oder Schrägverzahnungen durch Schneiden ausgebildet wurden. Zahnräder, die aus Rohlingen aus Pulvermetall geformt sind, wurden zwar vorgeschlagen, jedoch nur für Anwendungen mit relativ geringen Anforderungen. Es wurde allerdings kürzlich möglich gemacht, wie es auch in unserem europäischen Patent Nr. 0 552 272 beschrieben ist, auf das Bezug genommen wird, Zahnräder zu verwenden, die aus Rohlingen aus Pulvermetall geformt sind, die für härtere Anforderungen dienen.
Vor der vorliegenden Erfindung wurden Räder mit zwei hierauf ausgebildeten, axial nebeneinander liegenden Verzahnungen normalerweise in Form von zwei separaten Bauteilen hergestellt, wobei eine Verzahnung auf einem einteiligen Körper, welcher die Radnabe umfasste, geschnitten wurde, und die andere auf einem separaten Kranz geschnitten wurde, der dann nachfolgend auf die Nabe aufgesetzt wurde, typischerweise mittels eines Schrumpfsitzes. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es nicht möglich ist, axial nebeneinander liegende Zahnräder, die unterschiedliche Krallen haben, aus dem gleichen einteiligen Körper zu schneiden.
Das US Patent Nr. 5,366,363 , das den Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1, offenbart eine Pulvermetalltechnologie zur Herstellung eines Zahnrads mit axial nebeneinander liegenden Verzahnungen. Das Rad wird gegossen und nach dem Sintern in der gleichen Form fertiggestellt. Es wird auch Bezug genommen auf die deutsche Patentanmeldung Nr. 31 40 189 A .
Das Patent DE3325037C1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Rads mit zwei hierauf gebildeten Verzahnungen, umfassend die Vorbereitung eines Rohlings mit einer hierauf grob ausgebildeten Verzahnung durch Komprimieren und Sintern einer geformten Masse aus im wesentlichen Metallpulver, das Montieren des Rohlings für eine Drehung um eine erste Achse, die Anordnung einer Matrize mit der ersten Verzahnung, derartig, um eine Bewegung der Matrize in Eingriff mit der Verzahnung zu ermöglichen, und Profilwalzen der ersten Verzahnung auf den Rohling durch Drehen des Rohlings in Zahneingriff mit der Matrize, wobei die Matrize für eine Drehung um eine zweite Achse befestigt ist, die im wesentlichen paralell zur ersten Achse angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung ist wie in Anspruch 1 definiert. Dieses Herstellungsverfahren kann selbstverstandlich gemäß Kriterien, die für den Rohling und für die hierauf auszubildenden Verzahnungen spezifisch sind, gesteuert werden. Es ist zu beachten, dass gegenüber dem Verfahren mit mehreren Bauteilen, welches zuvor erläutert wurde, es gemäß der Erfindung nicht nur möglich ist, solche Verzahnungen auf einem einteiligen Körper durch Profilwalzen zu formen, sondern es ist auch möglich, dies mit einem axialen Abstand zwischen den Verzahnungen auszuführen, der auf das reduziert ist, was zuvor möglich war. Insbesondere ist es bei einem durch Profilwalzen geformten Zahnrad gemäß der Erfindung nicht notwendig, einen ringformigen Schlitz zwischen den Verzahnungen vorzusehen.
In der Profilwalzphase der Verfahren gemäß der Erfindung wird diejenige Technik bevorzugt, die in unserem europäischen Patent Nr. 0 552 272 , das zuvor genannt wurde, offenbart ist. Entsprechend sind die Zahn-, Wurzel- und Flankenbereiche der Verzahnungen, die auf dem pulvermetallischen Rohling geformt sind, normalerweise oberflächengehärtet, um eine Verdichtung im Bereich von 90 bis 100 Prozent bis zu einer Tiefe von wenigstens 380 Mikron zu erzielen. Die Kerndichte, d. h. unterhalb der verdichteten Bereiche, ist im Wesentlichen gleichmäßig und beträgt normalerweise ungefähr 90%. Normalerweise liegt der Bereich der Verdichtung im Bereich von 380 bis 500 Mikron. Wir haben nun herausgefunden, dass ein kleiner zusätzlicher Nutzen erzielt wird, wenn die Tiefe der Verdichtung 1000 Mikron überschreitet. Die Dichte an der Oberfläche betragt im wesentlichen 100% und die Dichte wird bis mindestens der minimalen spezifizierten Tiefe nicht geringer als 90%. Die Rate, mit der sich die Dichte in Bezug zur Tiefe verringert, ist normalerweise wenigstens linear, d. h., die minimale Dichte in den gehärteten Bereichen ist direkt umgekehrt proportional zur Tiefe. Üblicherweise wird die Dichte wenigstens in Bereichen, die näher an der Oberfläche liegen, bedeutend geringer sein als dieser Minimalwert. Typischerweise wird die Rate, mit der sich die Dichte verringert, an der Oberfläche sehr gering sein und bis zur maximalen Tiefe der gehärteten Bereiche gleichmäßig zunehmen. Daher kann die Dichte im Quadrat oder in einer höheren Potenz zur Tiefe variieren.
Die Metallpulver, die für Zahnräder gemäß der Erfindung verwendet werden, werden gemäß der tatsächlichen Anwendung ausgewählt und können niedrig legierte Stahlqualitäten umfassen, ähnlich denen, die bei der Herstellung von Hochleistungszahnrädern aus anderen Metallen verwendet werden. Die Pulver können entweder zugemischtes elementares Eisen plus Legierungszusätze oder vollständig vorlegierte Pulver sein. Normalerweise werden vollständig vorlegierte Pulver eine Zusammensetzung wie beispielsweise AISI 4600 und deren Derivate haben. Gemischte Pulver haben den Vorteil, dass sie komprimierbarer sind, was es möglich macht, dass sich in der Komprimierungsphase höhere Dichten erzielen lassen. Außerdem ermöglicht die Verwendung gemischter Pulver, dass sich die Zusammensetzungen genau auf den gedachten Verwendungszweck einstellen lassen. Zum Beispiel können elementare Pulver miteinander vermischt werden und mit einem Schmiermittel nach Sinterung niedrig legierte Zahnräder ergeben, deren Zusammensetzungen der Norm SAE 4100, SAE 4600 und SAE 8600 entsprechen. Elementare Pulver, die der Grundsubstanz, dem Eisen, zugesetzt werden, können Kohlenstoff, Chrom, Molybdan, Mangan, Nickel, Kupfer und Vanadium sein. Außerdem können die Mengen dieser Zusätze je nach dem beabsichtigten Verwendungszweck der Zahnräder variieren. Sie betragen aber normalerweise jeweils nicht mehr als 5 Gew.-%. Eine bevorzugte Pulvermischung für Zahnräder gemäß der Erfindung hat folgende Gewichtszusammensetzung:

Kohlenstoff 0,2%

Chrom 0,5%

Mangan 0,5%

Molybdan 0,5%
Der Rest sind Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen.
Es ist verständlich, dass die Verwendung von Chrom, Molybdan und Mangan in der Bildung eines Pulvermetall-Rohlings einen Sinterungsprozess verlangt, der ein Minimum an Oxidation hervorruft. Ein bevorzugter Prozess, der für diese Erfindung angewandt werden kann, besteht darin, bei einer hohen Temperatur von bis zu 1350°C in einer sehr trockenen Wasserstoff/Stickstoff-Atmosphäre wie zum Beispiel bei einem Taupunkt von ungefähr –40°C zu Sintern. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die mechanischen Festigkeiten weiter verbessert werden und der Sauerstoffpegel auf ungefähr 200 ppm verringert wird. Die zuzusetzenden zusätzlichen Legierungspulver, die in Zahnrädern gemäß der Erfindung verwendet werden, werden vorzugsweise eine Partikelgröße im Bereich von 2 bis 10 Mikron haben. Im allgemeinen werden Teilchengrößen in diesem Bereich erhalten durch Feinmahlen von Eisenlegierungen in einer geeigneten inerten Atmosphere. Die Verhütung der Oxidation von leicht oxidierbaren Legierungspulvern beim Mahlen kann kritisch sein, um den Grad der gewünschten und oben erwähnten Verdichtung zu erreichen.
Zahnräder der Art, auf die sich das Verfahren der Erfindung primär bezieht, werden normalerweise selbstverständlich verschiedene hierauf ausgebildete Verzahnungen haben, beispielsweise Verzahnungen mit verschiedenen Durchmessern und/oder verschiedenen Zahnzahlen. Gemeinsam ist, dass eine der Verzahnungen eine Schrägverzahnung und die andere eine Geradverzahnung sein wird, wobei der Durchmesser der Schrägverzahnung normalerweise größer ist als der der Geradverzahnung.
Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine perspektivische Ansicht eines Zahnrads ist;
2 eine Seitenansicht des Zahnrads der 1 ist;
3 eine vergrößerte Querschnittsansicht ist, die Einzelheiten der Zähne auf den nebeneinander liegenden Verzahnungen auf denn Zahnrad der 1 und 2 ist;
4 eine Draufsicht einer Gradverzahnung ist, die in der 3 gezeigt ist;
5 die Anordnung des Radrohlings und der Profilformmatrizen bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt;
6 eine axiale Stirnansicht der Anordnung der 4 ist, und
7 die Matrizen der 4 und 5 in Eingriff mit dem Zahnradrohling während des Profilwalzvorgangs zeigt.
Das in der 1 gezeigte Rad ist ein einteiliger Körper, der aus Pulvermetall geformt ist. Er besteht aus einer Nabe 2, auf der eine Schrägverzahnung 4 und eine Geradverzahnung 6 durch Profilwalzen ausgebildet sind. Wie ersichtlich, ist der Durchmesser der Schrägverzahnung größer als der der Geradverzahnung, und deswegen ist zwischen den zwei Verzahnungen ein ringformiger Schlitz 8 ausgebildet.
3 und 4 zeigen einige Einzelheiten der Verzahnungen auf einem Zahnrad und insbesondere zeigen sie den ringförmigen Schlitz 8 zwischen den zwei Verzahnungen. Dieser ist gezeigt, um zu veranschaulichen, wie Zahnräder existierende Räder vervielfachen können. Es wird aber begrüßt, dass die Axialbreite des Schlitzes stark reduziert, wenn nicht sogar eliminiert werden kann, wenn beide Verzahnungen auf dem einteiligen Rohling durch Profilwalzen ausgebildet werden.
Ein weiterer Vorteil des Profilwalzens in der beschriebenen Ausführungsform besteht insbesondere bei der Geradverzahnung in der Fähigkeit, eine axiale Hinterschneidung auf den Zähnen zu erzeugen. Dies ist in der 4 gezeigt und man wird einsehen, dass die Herstellung einer Hinterschneidung dieser Art auf einem Zahnradzahn durch Schneiden mit Hilfe von herkömmlichen Einrichtungen ein extrem arbeitsaufwendiger Prozess sein würde, der sicherlich für eine Massenherstellung ungeeignet ist.
5 zeigt die relativen Stellungen des Zahnradrohlings und der zwei Profilwalz-Matrizen 10, 12 in einer Walzmaschine, die zur Benutzung der Erfindung adaptiert ist, und 6 und 7 zeigen Stirnansichten dieser Anordnung. Beim Ausführen des Verfahrens wird der Rohling axial auf einer Welle aufgespannt und es konnte beachtet werden, dass beim Ausführen der Erfindung, wenn sich die Matrizen auf den axial zueinander versetzten Verzahnungen abwalzen, eine Kippkraft bzw. ein Drehmoment erzeugt wird, das auf den Rohling um eine senkrecht zur Achse des Rohlings liegenden Achse wirkt.
6 und 7 zeigen Sensoren 14, die über dem Außenumfang jeder Profilwalzmatrize und jeder unbearbeiteten, geformten Verzahnung auf dem Zahnradrohling angebracht sind. Der Zweck dieser Sensoren besteht darin, die Position der Zähne auf dem jeweiligen Element zu lokalisieren und sicherzustellen, dass sie passend zueinander versetzt sind, wenn die Matrize mit der jeweiligen Zahnradverzahnung in Eingriff gelangt. Diese Einrichtung ist insbesondere in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wichtig, wenn die jeweiligen Matrizen dazu ausgebildet sind, mit zwei axial voneinander einen Abstand aufweisenden Verzahnungen in Eingriff zu gelangen,
In einem Verfahren gemäß der Erfindung wird die Schrägverzahnungsmatrize 10 normalerweise zuerst in einen statischen oder ein Spiel aufweisenden Eingriff mit der Schrägverzahnung gebracht, die in der dargestellten Ausführungsform den größeren Durchmesser der zwei Verzahnungen aufweist. Der nächste Schritt ist der statische oder Spieleingriff des anderen Matrizenrads 12 mit dem Bereich der Geradverzahnung des Rohlings. Sobald ein einwandfreier Zahneingriff erfolgt ist, kann das Profilwalzen in der Weise ausgeführt werden, die in unseren früheren Patentschriften, die zuvor genannt wurden, beschrieben ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rades, auf dem zwei axial benachbarte Zahnräder ausgebildet sind, das die Herstellung eines Rohlings mit einem ersten und einem zweiten Zahnrad (4, 6) umfasst, die durch Komprimieren und Sintern einer gestalteten Masse im Wesentlichen aus Metallpulver in einer axial benachbarten Beziehung roh darauf ausgebildet werden; gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Montieren des Rohlings (2) zur Rotation um eine erste Achse; Anordnen einer jeweiligen Matrize (12, 10) mit jedem des ersten und zweiten Zahnrads (4, 6) so, dass eine Bewegung der genannten Matrizen (12, 10) in Eingriff mit den genannten Zahnrädern (4, 6) ermöglicht wird; und Walzformen der Zahnräder (4, 6) auf dem Rohling (2) durch Drehen des Rohlings in Zahneingriff mit den jeweiligen Matrizen (12, 10), die für eine Rotation um eine zweite und eine dritte Achse im Wesentlichen parallel zur ersten Achse montiert sind, wobei der Eingriff der Matrizen (12, 10) mit dem Rohling (2) während zumindest eines Teils des Walzformverfahrens zeitgleich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Eingriff der Matrizen (12, 10) mit dem Rohling (2) gemäß Kriterien geregelt wird, die für den Rohling (2) und die darauf auszubildenden Zahnräder (4, 6) spezifisch sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die zweite und die dritte Achse auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Achse liegen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jede Matrize (12, 10) in einen losen Zahneingriff mit ihrer jeweiligen Zahnradform vor Beginn des Walzformverfahrens vorbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei jede Matrize (12, 10) separat in einen losen Zahneingriff mit ihrer jeweiligen Zahnradform (4, 6) vorbewegt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eines der Zahnräder (4, 6) ein Schrägstirnrad und das andere ein Geradstirnrad ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Schrägstirnrad eine größere Zahl von Zähnen hat als das Geradstirnrad.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Kopfdurchmesser des Geradstirnrades größer ist als der Fußdurchmesser des Schrägstirnrades.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Zahn auf jedem der Zahnräder (4, 6) mit einem Zahn auf einer jeweiligen Matrize vor dem Eingriff fehlausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei ein Zahn auf einem der Zahnräder (4, 6) mit einem Zahn der assoziierten Matrize (12, 10) fehlausgerichtet ist und die genannte Matrize (12, 10) dann in Eingriff mit dem jeweiligen Zahnrad (4, 6) gebracht wird und ein Zahn des anderen Zahnrads mit einem Zahn auf seiner jeweiligen Matrize (12, 10) in Fehlausrichtung gebracht wird und die genannte Matrize (12, 10) dann in Eingriff mit dem anderen Zahnrad (4, 6) gebracht wird.