EP3752302A1 - Dünnwandige hohlräder mit innen- und aussenverzahnung sowie vorrichtung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Dünnwandige hohlräder mit innen- und aussenverzahnung sowie vorrichtung und verfahren zu deren herstellung

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EP3752302A1
EP3752302A1 EP19705746.6A EP19705746A EP3752302A1 EP 3752302 A1 EP3752302 A1 EP 3752302A1 EP 19705746 A EP19705746 A EP 19705746A EP 3752302 A1 EP3752302 A1 EP 3752302A1
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EP
European Patent Office
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toothing
internal
longitudinal axis
workpiece
teeth
Prior art date
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EP3752302B1 (de
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Fabian RUH
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Ernst Grob AG
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Ernst Grob AG
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Publication date
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    • B21H5/02—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms with cylindrical outline, e.g. by means of die rolls
    • B21H5/025—Internally geared wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21D22/025—Stamping using rigid devices or tools for tubular articles
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    • B21H5/00—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/28—Making machine elements wheels; discs
    • B21K1/30—Making machine elements wheels; discs with gear-teeth
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49462—Gear making

Definitions

  • the invention relates to the field of generating impeller gears in ring gears and more particularly to corresponding internal gears.
  • Impeller gears and in particular involute gears find application in gear drives and in particular in planetary gears, for example in those of automatic transmissions for automobiles, but also in other areas of vehicle construction and mechanical engineering.
  • the invention relates to methods, devices and uses according to the preamble of the independent claims.
  • splines also known as "splines" cold forming can be created by an externally profiled mandrel is introduced into a hollow cylindrical workpiece and then corresponding to the profiling of the dome
  • a corresponding ring gear and a device for generating corresponding ring gears are to be created.
  • a use of the device and a planetary gear and a method for producing a planetary gear and a Hohlradbauteil be created.
  • Impeller toothing is. Moreover, he has developed a way to produce such ring gears economically and yet with high accuracy.
  • Tooth heads of the internal toothing a material thickness of the ring gear may be provided, which is significantly lower than it would be the case if the ring gear outside the shape of a (toothless) cylindrical surface described.
  • the ring gear thus has a relation to the known from the prior art internally impeller-toothed and external rotationally symmetrical, unprofiled ring gears significantly reduced material strength, so that the weight of the ring gear is significantly reduced. Nevertheless, a dimensional stability which is sufficient for a planned use can be achieved.
  • Embossing tool have calibration areas, which simultaneously limit a flow of material radially inwardly, so that a next to a tooth gap of the internal toothing forming tooth head radially does not protrude too far inward.
  • the circumferential positions of the teeth of the internal teeth and the tooth gaps of the external teeth are the same. And the circumferential positions of the tooth gaps of the internal teeth and the teeth of the external teeth are also the same.
  • Another object of the invention is to provide ring gears of particularly low weight.
  • Another object of the invention is to provide a very economical manufacturing method for ring gears with an internal impeller toothing and
  • Another object of the invention is to provide novel transmissions, particularly novel planetary transmissions.
  • Internal gear is an impeller toothing, and wherein a workpiece is processed by at least one embossing tool.
  • the workpiece may have a tubular portion with a longitudinal axis. This can have a round (circular) cross-section. Accordingly, the tubular portion may have cylinder symmetry, and in particular
  • the said synchronization is designed such that the at least one
  • Embossing tool forms the tubular portion for generating the external toothing while simultaneously generating the internal toothing by repeated hammering machining of the tubular portion in the female toothing.
  • the method makes it possible to produce impeller gears of quality 8 or 7 or under certain circumstances 6 according to DIN 3961 / DIN 3962. And this in a very economical way, for example because very short processing times are possible. And further can be assumed relatively inexpensive material, because by the described cold forming the material properties are improved.
  • the material can be given a higher strength.
  • the embossing tool can repeat the tubular section on such a
  • Circumferential positions (where the internal female teeth tooth spaces has) are formed. And at the same tooth gaps of the external teeth and teeth of the internal teeth can be formed, and at intermediate circumferential positions at which the internal female teeth has teeth.
  • Edit rotational movement in which the workpiece is at least momentarily stationary may be an intermittent rotation, and the stamping tool processes the workpiece in phases of
  • the workpiece and the die are aligned with each other at least substantially coaxially and (at least substantially) aligned coaxially with the longitudinal axis.
  • Matrizenver leopardung corresponds.
  • the internal toothing is formed whose flank shapes correspond to a negative of flank shapes of the embossing tool, and whose tooth root shape corresponds to a negative of a tool head shape of the embossing tool.
  • the workpiece is hammered by the embossing tool. It can be processed periodically by the radially oscillating hammering movement of the embossing tool.
  • the internal and external teeth can be formed successively.
  • the tooth gaps of the internal toothing become progressively deeper (due to the increasing number of hammering interventions per tooth gap of the internal toothing) with time, and at the same time the teeth of the external toothing become ever higher.
  • the workpiece is hardened after creating the teeth by the action of heat. Due to the cold forming processing by means of the embossing tool is a hardening distortion, which is subject to a ring gear at a curing by heat, significantly lower than a ring gear in which the impeller toothing was machined.
  • the workpiece is typically made of metal, for example of a steel, for example of alloyed tempering steel (typically at least 0.3%).
  • a material thickness of the workpiece in the tubular portion is less than twice, more preferably less than 1.5 times, a gearing depth of the internal teeth.
  • a material thickness of the workpiece in the tubular portion is at least 0.2 times, more preferably at least a quarter of a
  • the at least one embossing tool has an effective region which has a tool head and two adjacent tool edges.
  • the shape of the flanks of the internal toothing is determined by the tool flanks.
  • the shape of the toothed feet of the internal toothing is determined by the tool head.
  • the effective region may have a shape that is a negative of a shape of a tooth gap of the internal teeth, or more specifically, a negative of a shape of a tooth root including the adjacent tooth flanks of the internal teeth.
  • the at least one embossing tool can have two calibration regions each adjacent to one of the two tool flanks. Their shape may each be a negative of a shape of a portion of a tooth tip of the internal teeth.
  • Internal toothing has a longitudinal crowning.
  • the tool flanks have a concavity. Specifically, this is a concavity relative to the shape of tool flanks formed to form the same internal gear without longitudinal crowning.
  • the internal toothing is a spur toothing
  • the embossing tool (and more precisely: the effective range of the embossing tool) in a running through the tool flanks cut, which is perpendicular to a plane extending centrally between the tool flanks, at both
  • the generated internal toothing has a corresponding convexity: the longitudinal crowning.
  • the ring gears described here are thin-walled. This allows large mechanical loads in these ring gears rather lead to elastic deformations, as would be the case with thick-walled ring gears of the same residual wall thickness.
  • the said longitudinal crowning can be provided. Edge bearers can be avoided in this way; a well-defined contact of an externally toothed wheel running in the ring gear, for example, substantially in the middle of the toothed by the internal toothing length, can be ensured.
  • the embossing tool can be at least as long as in the course of the tool head (corresponding to the toothing direction, ie the direction of the tooth gaps of the internal toothing), in particular even longer than the tooth gaps of the impeller toothing.
  • this refers to the effective range of the
  • Embossing tool where indeed the embossing tool engages the workpiece, so comes with this in (transforming) contact.
  • This can help to ensure that the impeller toothing is created with great precision over its entire length.
  • the process can be particularly economical.
  • it may be easier to produce the above-described longitudinal crowning of the internal teeth, namely, by using an embossing tool and in each of the hammering operations over the entire tooth length of the internal teeth with the workpiece in forming contact, the above-described concavity of the
  • Embossing tool a progressing in the direction of toothing training of the internal and external teeth causes until a predetermined toothed length is reached.
  • the at least one embossing tool and the workpiece are moved in the axial direction relative to each other.
  • the relative movement of the workpiece and embossing tool thus describes, for example, one of the radially oscillating movement of said
  • Workpiece is formed at each hammering engagement only in an area which extends only along a fraction of the tooth length, it is possible to carry out the process with a single embossing tool or two
  • the tubular section is provided with the toothings, that is to say with the internal toothing and the external toothing.
  • the portion of the workpiece provided with the inner and outer teeth is identical to the tubular portion.
  • the first stabilizing portion may form a collar of the ring gear, in particular a collar, which is formed integrally with the tubular portion together.
  • first stabilizing section (or the mentioned collar) has neither said inner toothing nor said outer toothing.
  • the shape stabilization by the first stabilizing section makes it possible to minimize deformations in the radial direction, which are non-uniform over the circumference. For example, unwanted deformations of the tubular portion to an oval can be prevented or at least greatly reduced.
  • a first stabilizing section which remains on the ring gear, can also be used.
  • the first stabilizing section forms a
  • the first stabilizing section forms a
  • the first stabilizing portion is on the
  • first stabilization section can be designed so that access to the interior of the ring gear is not hindered by him.
  • first stabilizing portion (or collar)
  • the first stabilizing portion forms a circumferential, with respect to the tubular portion angled end face of the ring gear.
  • the end face may, for example, lie in a plane on which the longitudinal axis is perpendicular. So can relative to the amount of for the first
  • Stabilization section spent material a particularly good
  • the workpiece is in the first
  • Stabilizing portion relative to the tubular portion widened or narrowed or at least 90 ° inwardly or outwardly directed.
  • the workpiece including the first (and possibly also a second)
  • Stabilization section for example, by forming, for example, cold forming, obtained from a tubular body.
  • the workpiece in the first stabilizing section may be widened relative to the tubular section, and in particular may have an increasing diameter as the distance from the tubular section increases; or it may be tapered, in particular having a diameter decreasing with increasing distance from the tubular portion.
  • the first stabilizing section may describe a rotationally symmetric cone-truncated cone shape.
  • the first stabilizing section may describe a rotationally symmetric cone-truncated cone shape.
  • the first stabilizing section describes a circular ring shape. In this way, a space requirement of the first
  • the Stabilization section are kept very small in the axial direction.
  • the first stabilizing section may be substantially at right angles to the longitudinal axis.
  • the circular ring described can have an inner diameter which is in the
  • the annulus may have an outer diameter substantially equal to the inner diameter of the tubular portion.
  • the first stabilizing portion is directly connected to a first end of the tubular portion. In other embodiments, the first stabilizing portion is indirectly connected, via a transition region, to a first end of the tubular portion.
  • the first stabilizing portion (or corresponding collar) has a minimum distance from the longitudinal axis that is smaller, more preferably at least 0.25 times (for example, at least 0.4 times), a denticulate depth of the internal toothing a minimum distance that the tubular section has (before generating the gears) from the longitudinal axis.
  • the first stabilizing section (or the corresponding collar) be rotationally symmetric about the longitudinal axis, as well as the tubular portion, and its inner diameter is smaller than the inner diameter of the tubular portion (before generating the teeth), for example by at least 0.5 times (in particular by at least 0.8 times) a toothing depth of the internal teeth , As a result, a suitable dimensional stability can be realized.
  • the first stabilizing portion (or corresponding collar) has a minimum distance from the longitudinal axis which is smaller, in particular at least 0.2 times (for example at least 0.4 times) one
  • Gearing depth of the internal teeth is less than a minimum distance, which has a tooth tip of the internal teeth of the longitudinal axis.
  • the first stabilizing portion (or the corresponding collar) may be rotationally symmetric about the longitudinal axis, and its inner diameter is less than the tip circle diameter of the internal teeth, for example at least 0.3 times or 0.4 times (especially at least 0.8 times) one Gearing depth of
  • the first stabilizing portion (or the corresponding collar) has a maximum distance from the longitudinal axis that is greater, in particular greater by at least 0.25 times (for example, at least 0.4 times) a toothing depth of the internal teeth than a maximum distance that the tubular portion (before generation of the teeth) from the longitudinal axis has.
  • the first stabilizing portion (or the corresponding collar) may be rotationally symmetric about the longitudinal axis, as well as the tubular portion, and its outer diameter is greater than the outer diameter of the tubular portion (prior to generation of the serrations), for example at least 0.5 times ( in particular by at least 0.8 times) a toothing depth of the internal toothing.
  • a suitable dimensional stability can be realized.
  • Gearing depth of the internal toothing is greater than a maximum distance, which has a tooth tip of the internal toothing of the longitudinal axis.
  • the first stabilizing portion (or the corresponding collar) may be rotationally symmetric about the longitudinal axis, and its outer diameter is greater than the tip diameter of the internal toothing, for example at least 0.3 times or 0.4 times (in particular at least 0.8 times) one Gearing depth of
  • the first stabilizing section forms a
  • the tubular portion can be used together with the
  • Bottom part are cup-shaped, wherein the tubular portion a
  • Stabilization section described properties and functions may be the same as those described for the first stabilization section. Except that in general is not provided that both
  • Stabilizing sections are at one and the same end of the tubular portion then.
  • the first stabilizing section is adjacent to a first end of the tubular section (be it directly or via a first transition zone), and that the second
  • Stabilization section is then at a second end of the tubular portion (either directly or through a second transition region).
  • the two stabilizing sections can each be provided at one of the opposite ends of the tubular section (directly or indirectly). It can thus be provided that at least part of the internal toothing and at least part of the external toothing is arranged with respect to its axial position between the first and the second stabilizing section.
  • first stabilization section or the corresponding collar
  • first stabilizing portion or the corresponding collar
  • this first stabilizing portion has the dimensions given above with respect to its minimum distance from the longitudinal axis or with respect to its inner diameter. Removal of the tubular portion from the die after machining by the at least one embossing tool can thereby be facilitated.
  • the workpiece (or ring gear) has a second stabilizing portion, which is directed toward the longitudinal axis, and a minimum distance that it has from the longitudinal axis is less than a minimum distance that a tooth tip of the tooth Internal toothing of the longitudinal axis has.
  • the internal toothing is formed as a high toothing, with a toothing depth of more than 2.0 times a
  • Normal module of the internal toothing for example, with a toothing depth of more than 2.2 times a normal module of the internal toothing.
  • the internal toothing can have a toothing depth of at least 2.4 times a normal modulus of the internal toothing. Large toothing depths allow a large degree of overlap, which makes the corresponding ring gears particularly resilient.
  • Impeller toothing corresponds to a common value for impeller involute gears.
  • the internal toothing has a modulus between 0.5 and 5, in particular between 1 and 3 and / or a modulus of at least 1.25.
  • External teeth Helical gears In particular, 40 °>
  • the internal toothing and the external toothing are arrow toothings.
  • the internal toothing can be an involute toothing. But others too
  • Impeller gears can be produced.
  • the internal toothing may be a cycloidal toothing.
  • Dimensioning of the die can facilitate the production of the ring gear and in particular the forming.
  • a toothing depth of the external toothing is smaller than a toothing depth of the internal toothing.
  • the die can be made of a metal. It can be formed in one piece.
  • Stabilization area at least apparently described in a specific context, such as in connection with the manufacturing process, these may basically also be properties of the finished ring gear. To summarize the text, most of these properties are therefore not repeated again as features explicitly related to the finished ring gear. Yet:
  • the ring gear has: - A tubular portion having a longitudinal axis, which has an internal toothing and an external toothing, wherein the internal toothing a
  • Impeller toothing is
  • the first stabilizing section can be free of teeth. And it may be integrally formed with the tubular portion together. He can form a collar of the ring gear. In this case, the collar may be directed in particular to the longitudinal axis to or from the longitudinal axis away. The collar may be directly adjacent to the tubular portion or adjacent to a transition region which in turn directly adjoins the tubular portion.
  • the tubular section can basically be cylindrical tube-shaped.
  • the first stabilizing section may be rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis.
  • a relative thinness of the ring gear can be described by a difference of root diameter of the external teeth and
  • a difference of root diameter of the external toothing and tip circle diameter of the internal toothing more than 0.2 times, in particular more than 0.3 times a tooth depth of
  • the collar is directed away from the longitudinal axis, and in a transition region between the tubular portion and the first stabilizing portion, an internal residual toothing adjoining the internal toothing is formed. And further is - a tip diameter of the internal residual teeth smaller than one
  • the engagement of the at least one embossing tool extends to the point where the first stabilizing section begins with respect to its axial position, then a material flow directed radially outwards is greatly impeded by the first stabilizing section. Accordingly, the material must look for other ways during cold forming.
  • material flow means radially inward (on both sides of the effective region of the embossing tool), so that it comes to the reduced tip diameter of the internal residual toothing.
  • the material also flows approximately in the axial direction, which faces away from the tubular portion, so that the beads form.
  • an external residual toothing adjoining the external toothing is formed in a transition region between the tubular section and the first stabilizing section, wherein a toothing depth of the outer residual toothing steadily decreases from zero tooth toothing to zero in the transitional region.
  • teeth of the outer residual toothing may have a rounded shoulder in the transition region, in particular in a section of the transition region adjoining the tubular section.
  • a section of the transition region can be tubular, in particular cylindrical tube-shaped.
  • a portion of the transition region adjoining the tubular section may be tubular, in particular cylindrical tube-shaped.
  • this angle can be greater than 5 °, in particular greater than 10 °.
  • the angle can be defined, for example, by determining a first point in the said section where the tooth (in the region of the residual toothing) still has 90% of the height which it has in the tubular section and determines a second point. where the tooth (in the area of the residual toothing) still has 10% of the height that it has in the tubular portion, and the angle that encloses a straight line connecting these two points with the longitudinal axis, is the said angle.
  • an external residual toothing (with a rounded shoulder)
  • the diameter (pitch circle diameter) of the internal toothing is typically in the range 50 mm to 500 mm, in particular in the range 100 mm to 400 mm and often in the range 150 mm to 350 mm.
  • the anti-rotation device concerns a rotation about the longitudinal axis.
  • the body may be positively connected to the external teeth.
  • the body may be molded to the external teeth.
  • a step in the production of said body may thus be, for example, that the external teeth are poured, whereby at least a part of said body is formed.
  • the ring gear is a Geretehohlrad.
  • the ring gear can be used in planetary gear applications.
  • the planetary gear has a ring gear of the type described and at least one externally toothed gear wheel introduced into the ring gear. This is for one
  • a sun gear and at least two planet gears are introduced into the ring gear.
  • the method of manufacturing a planetary gear includes making a ring gear in the described manner, and further comprising providing at least one externally toothed gear and inserting it into the ring gear.
  • Said gear has an external toothing, which is suitable for the internal toothing of the ring gear.
  • typically, a sun gear and at least two planet gears are introduced into the ring gear.
  • the invention also relates to a device which is suitable for carrying out the
  • Manufacturing method is suitable or a device with the following
  • a device for producing ring gears which have an internal gear and an external toothing, wherein the internal gear is an impeller toothing, and the device comprises: a die which is adapted to receive a tubular portion of a
  • Die are pressed in the axial direction towards each other.
  • the workpiece and die perform the same rotational movement.
  • Fig. 6 shows a detail of a ring gear with one away from the longitudinal axis
  • Fig. 1 shows details of an apparatus for producing Hohlrädem, in a highly schematic sectional view.
  • a workpiece 1 is thin-walled and can be provided by means of the device with an internal toothing and an external toothing, wherein the internal toothing is an impeller toothing, for example an involute toothing.
  • the workpiece 1 has a longitudinal axis Z and a tubular portion 3, which is cylindrical and is aligned coaxially with the longitudinal axis Z, and in which by means of a stamping tool 2, the two mentioned teeth are introduced.
  • the device further comprises a die 5, which has an internal
  • Workpiece 1 has.
  • the die 5 is held in a die holder 15, which is drivable for rotation about an axis of rotation, for example by means of a driven spindle rod 8.
  • Workpiece 1 can be edited periodically.
  • the tool holder 12 performs an oscillating movement in the radial direction (typified by the small Double arrow in Fig. 2).
  • Directions that are perpendicular to the longitudinal axis Z are referred to as radial.
  • the workpiece 1 is inserted into the tubular opening 5o of the die 5, as symbolized by the open arrows in the axial direction.
  • a holding device 18 which may be partially identical to the loading device 16, the workpiece 1 is then held in a fixed position relative to the die 5, typically before and during the workpiece and die rotation, for example by pressing the two parts against each other in axial Direction.
  • the die 5 (and in particular its die teeth 5z), the workpiece 1 (and in particular its tubular portion 3 and its longitudinal axis Z) and the axis of rotation of the die holder 15 are aligned coaxially with each other.
  • Workpiece 1 rotates with the die holder 15 with, for example, by the holding device 18 is rotatably mounted.
  • the longitudinal axis Z of the workpiece 1 coincides with the axis of rotation of the rotatable die holder 15, the
  • the corresponding axes are referred to as the longitudinal axis Z or as the axis Z.
  • the die holder 15 does not have to be driven directly to its rotation.
  • the holding device 18 (for example, directly) driven for rotation, and the die holder 15 is rotatably mounted and rotates, including the die 5 and workpiece 1 with the holding device 18 with.
  • the tool holder 12 can have, as shown, a shank which is driven to oscillate.
  • the embossing tool 2 comes in this way repeatedly, generally periodically, in engagement with the workpiece.
  • the workpiece 1 in turn is rotated about the axis Z with varying rotational speed, in particular intermittently rotated (symbolized by the dashed circle arrow in Fig. 1).
  • the embossing tool 2 engages the workpiece 1.
  • the workpiece 1 can be rotated further (typically by a pitch), as soon as the tool holder 12 is moved far enough (in the radial direction) that no
  • Embossing tool comes during the workpiece rotation with the workpiece 1 in contact.
  • a non-intermittent workpiece rotation that is
  • the stabilizing sections 4, 4 'bring about a stabilization of shape so that the deformations mentioned can be prevented or at least reduced to an acceptable level.
  • Mold 5 is formed. This will be illustrated with reference to FIGS. 2a, 2b.
  • FIG. 2b shows the workpiece, which is now a toothed ring gear 1a, during a final forming engagement of the stamping tool 2.
  • the thick dashed line in Figs. 2a, 2b denotes a radial direction along which the periodic linear movement of the embossing tool 2 for forming the workpiece runs.
  • the thin dashed lines in Fig. 2b indicate the root circle diameter and the tip circle diameter of the internal teeth.
  • the open arrow in Fig. 2b indicates the Yerbergungstiefe t6 of the internal teeth.
  • Internal teeth, and the tool head 2k has the shape of a negative of a tooth root 6b of the internal teeth (Fig. 2b).
  • Stamping tool 2 is determined, the shape of the external teeth in
  • the shape of a tooth head 5a of the female toothing corresponds to a negative of the shape of a tooth root 7b of the external toothing to be generated.
  • the shape of the tooth flanks 5f of the female teeth corresponds to a negative of the shape of tooth flanks 7f of the external teeth.
  • the shape of the tooth head 7a of the external teeth is determined by free flow of material. A distance remains between the tooth tips 7a of the external toothing and the respective tooth roots 5b of the female toothing. Of the tooth flanks 5f of the female toothing, it is only a portion that comes into contact with the workpiece and thus the shape of the
  • the workpiece 1 can first be processed by the embossing tool 2 in each tooth gap of the female toothing 5z (ie pick up exactly a radial hammering impact and thereby be reshaped), before it in one of the tooth gaps
  • the number of teeth and the number of tooth spaces is identical for the internal teeth and for the external teeth and for the matrix teeth.
  • the tooth roots 6b of the internal teeth are located at the same positions along the circumference of the tubular portion as the teeth heads 7a of the external teeth.
  • the tooth tips 6a of the internal toothing are located at the same positions along the circumference of the tubular portion 3 as the toothed roots 7b of the external toothing.
  • embossing tool This can have the same shape as the other embossing tool, at least with regard to the effective range and the calibration range.
  • the embossing tool is again radially spaced from the workpiece.
  • Embossing tool on the workpiece instead.
  • the tool is not permanently in contact with the workpiece, but only for a short time with a subsequent phase in which no contact and no deformation takes place.
  • the tool has not a plurality of teeth distributed over its circumference, but, as shown, only one tooth-like active area or possibly two (not shown).
  • Fig. 3a shows a workpiece 1 with two on the longitudinal axis Z to be directed
  • Stabilization sections 4, 4 ' in a running through the longitudinal axis Z section.
  • Fig. 3b shows a workpiece 1 with a directed to the longitudinal axis
  • Stabilization section 4 and directed away from the longitudinal axis
  • Stabilization section 4 in a running through the longitudinal axis Z section.
  • FIGS. 1 and 3a and 3b respectively form annular end faces 4f of the workpiece 1.
  • an opening angle of the end faces 4f does not have to be 90 °, as shown in FIGS. 1 and 3a and 3b.
  • 3 c shows a detail of a further rotationally symmetrical workpiece 1 with a stabilizing section 4 'directed towards the longitudinal axis Z and a stabilizing section 4 directed away from the longitudinal axis Z, in a through the
  • Stabilizing section 4 forms is a rotationally symmetric
  • Fig. 3d shows a detail of a workpiece 1, which is already formed into a toothed ring gear la, with a directed to the longitudinal axis Z to
  • Fig. 3d also illustrates that a maximum distance d4 that a part of the
  • Stabilization section 4 of the longitudinal axis Z has, which in the assumed rotational symmetry of half an outer diameter of the
  • Stabilization section 4 'of the longitudinal axis Z has, which in the assumed rotational symmetry of half an inner diameter of the
  • Stabilization section 4 is smaller than a minimum distance k6, which has a tooth tip 6a of the internal teeth of the longitudinal axis Z, that is smaller than half k6 of the tip circle diameter of the internal teeth.
  • the typically one or two stabilizer sections are generally untoothed (serrated); at least they are free from the one to be generated
  • FIG. 4 shows a detail of a ring gear 1a for illustrating an outer residual toothing 45a, in a section running through the longitudinal axis Z through a tooth tip 7a of the external toothing.
  • Such outer residual toothing 45a is formed due to the selected cold-forming manufacturing process, due to the free flow of material not only in the radial but also in the axial direction within tooth gaps of the female toothing.
  • the stabilizing section 4 could also be directed inward instead of outward, there is a transitional area 45 between the tubular section 3 and the stabilizing section 4.
  • the transitional area there is an external residual toothing with toothed heads adjoining the external teeth 45a, in which the Yerzahnungstiefe the
  • An angle of decrease of the toothing depth can be defined, for example, as described above: The points at which the residual toothing has a toothing depth of 90% of the toothing depth t7 of the toothing depth
  • FIG. 4 also shows that the transition region 45, which otherwise describes a region which extends along the longitudinal axis Z, may have an untoothed section and / or may have a region which has not been machined with the embossing tool 2.
  • Stamping tool is used, which is longer than the length of the internal toothing.
  • Figs. 5 and 6 show corresponding examples.
  • FIG. 5 shows a detail of a workpiece 1, which has already been formed into a toothed ring gear la, with one directed away from the longitudinal axis Z
  • FIG. 6 shows a detail of a workpiece 1, which is already formed into a toothed ring gear la, with a longitudinal axis Z directed away
  • Tip diameter of the internal toothing In particular, the smallest
  • the tip diameter of the internal toothing is written as k6.
  • the described ring gears are thin-walled, they may tend to elastic deformation under load. For a good running behavior, it may be beneficial to provide a longitudinal crowning of the internal teeth. Edge bearers are avoidable in this way. This can be achieved by a corresponding design of the embossing tool. 2
  • FIG. 7 a shows a detail of an embossing tool 2, in a section perpendicular to the course of the tool head 2 k, ie in the same way as in FIGS. 2a, 2b.
  • FIG. 7b shows a detail of the embossing tool 2 from FIG. 7a, but in a section parallel to the course of the tool head 2k, along the dashed line from FIG. 7a through the tool flanks 2f.
  • Fig. 7b a concavity of the embossing tool 2 can be seen, by means of which the longitudinal crowning can be produced. However, this is shown exaggeratedly large in FIG. 7b.
  • the tool flanks 2f are formed by their concavity for forming the longitudinal crowning of the internal toothing.
  • Figs. 8a to 8c illustrate a straight toothing, a helical toothing or an arrow toothing. All of these and other gearing can be produced by means of the method described.
  • the wide black lines indicate the position of the tooth tips 6a of the internal teeth.
  • the drawn dashed line corresponds to an axis Z 'an, which is parallel to the longitudinal axis Z.
  • the representation can be understood so that it can be mentally obtained by the ring gear is cut and then pressed with flattening external teeth on a plane (flattened) is.
  • ß denotes the helix angle of the helical gearing.
  • Fig. 9 shows an illustration of a planetary gear 20 with a
  • Fig. 10 illustrates a ring gear member 10, comprising a ring gear la, which is shown in Figure 10 exaggerated thin-walled and without stabilization section, and a form-fitting connected body 11, in a section perpendicular to the longitudinal axis Z.
  • the body 11 of a Be plastic.
  • the body 11 may, for example, to the ring gear la, more precisely at the
  • the at least one collar whether directed inwards or outwards, allows dimensional stability during manufacture, which is necessary for highly accurate toothing.

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Abstract

In dem Verfahren zur Herstellung eines Hohlrades, das eine Innenverzahnung und eine Aussenverzahnung aufweist, wobei die Innenverzahnung eine Laufradverzahnung ist, wird ein Werkstück (1) durch ein Prägewerkzeug (2) bearbeitet. Das Werkstück (1) weist einen rohrförmigen Abschnitt (3) mit einer Längsachse (Z) auf und einen ersten Stabilisierungsabschnitt (4) zur Formstabilisierung des rohrförmigen Abschnitts (3) während der Bearbeitung. Der rohrförmige Abschnitt (3) wird in eine Matrize (5) eingebracht wird, die eine innenliegende Matrizenverzahnung (5z) aufweist. Dann wird das Werkstück (1) durch das Prägewerkzeug (2) zur gleichzeitigen Erzeugung der Innen- und der Aussenverzahnung an der Innenseite bearbeitet, indem das Werkstück eine Rotationsbewegung mit zeitlich variierender Rotationsgeschwindigkeit durchführt und das Prägewerkzeug (2) radial oszillierende Bewegungen durchführt, die mit der genannten Rotationsbewegung synchronisiert sind. Dabei formt das Prägewerkzeug (2) den rohrförmigen Abschnitt (3) zum Erzeugen der Aussenverzahnung bei gleichzeitigem Erzeugen der Innenverzahnung durch wiederholtes hämmerndes Bearbeiten des rohrförmigen Abschnitts (3) in die Matrizenverzahnung (5z) ein.

Description

DÜNNWANDIGE HOHLRADER MIT INNEN- UND AUSSENVERZAHNUNG SOWIE VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Erzeugung von Laufradverzahnungen in Hohlrädem und genauer auf entsprechende Innenverzahnungen. Laufradverzahnungen und insbesondere Evolventenverzahnungen finden Anwendung in Zahnradgetrieben und insbesondere in Planetengetrieben, zum Beispiel in solchen von Automatikgetrieben für Automobile, aber auch in anderen Bereichen des Fahrzeugbaus und des Maschinenbaus. Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren, Vorrichtungen und Verwendungen gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Innenliegende Laufradverzahnungen werden heute vor allem durch spanabhebende Verfahren erzeugt, insbesondere durch Räumen.
Räumen wird auch zur Erzeugung von Zahnnabenprofilen wie Innenverzahnungen nach DIN 5480, DIN 5482, usw. eingesetzt. Wenn durch Räumen topfförmig ausgebildete Werkstücke mit einer Laufradverzahnung erstellt werden sollen, muss zunächst in einem der Topfwandung entsprechenden Teil die Laufradverzahnung erstellt und danach dieser Teil mit einem Topfbodenteil verbunden werden, beispielsweise durch Laser- oder Elektronenstrahlschweissen. Wenn in einem topfförmig ausgebildeten Werkstück eine Laufradverzahnung spanabhebend erzeugt werden soll, kommt das Stossen zur Anwendung, welches gegenüber dem Räumen jedoch eine geringere Wirtschaftlichkeit aufweist.
Für mechanisch wenig belastete Teile ist das Herstellen von innenverzahnten
Hohlrädem durch Sintern eine Alternative, die es ausserdem erlaubt, topfförmig ausgebildete Hohlräder einstückig auszubilden, ohne dass ein anschliessender
Verbindungsschritt für Topfboden und Wandung durchgeführt werden müsste.
Ein alternatives, auf Kaltumformen basierendes Verfahren zum Erstellen von innenliegenden Laufradverzahnungen ist aus WO 2013/159 241 Al bekannt. Dort ist beschrieben, wie durch radial hämmerndes Bearbeiten eines dickwandigen Werkstücks von innen mittels eines Prägewerkzeugs eine innenliegende Laufradverzahnung in dem Werkstück erzeugt werden kann.
Aus dem Stand der Technik sind allem Anschein nach ausschliesslich dickwandige Hohlräder bekannt. Dadurch wird eine hohe Formstabilität des Hohlrades erreicht, wenn es, beispielsweise in einem Planetengetriebe, zum Einsatz kommt. Allerdings resultiert daraus auch ein relativ hohes Gewicht des Hohlrades. Aussen behält ein solches Hohlrad in seinem innenverzahnten Bereich meist die Form, die es schon als unverzahnter Rohling hatte, so dass bei zylinderverzahnten Hohlrädem, die ausgehend von entsprechend zylinderrohrförmigen Rohlingen gefertigt werden, meist auch das mit der Innenverzahnung versehene Hohlrad aussen eine Zylindermantelfäche aufweist. Deren Durchmesser ist um das Doppelte der Restwandstärke der Innenverzahnung grösser als der Fusskreisdurchmesser der Innenverzahnung. Die Restwandstärke eines solchen dickwandigen Hohlrades ist mindestens 0.25 mal so gross bzw. in der Regel eher mindestens 0.5 mal so gross wie die Verzahnungstiefe der Innenverzahnung. Trotz des Jahrzehnten bestehenden allgemeinen Bedürfnisses nach
Leichtbaukomponenten, vor allem auch im Fahrzeugbau scheint die Idee, ein laufradverzahntes Hohlrad als ein Leichtbau-Teil auszuführen, noch nicht
aufgekommen zu sein oder zumindest nicht realisiert worden zu sein. Natürlich kann beim Gewicht eines Hohlrades gespart werden, wenn sehr geringe Restwandstärken gewählt werden, beispielsweise wie im Falle der zuvor genannten Restwandstärke im Bereich zwischen 0.25 mal und 0.5 mal die Verzahnungstiefe. Allerdings sind der Restwandstärke nach unten Grenzen gesetzt durch Fertigungstauglichkeit und auch durch die im Einsatz erforderliche Formstabilität.
Aus einem anderen technischen Gebiet, nämlich der Erstellung von Steckverzahnungen, sind weitere kaltumformende Fertigungsverfahren bekannt. Beispielsweise können Steckverzahnungen (auch als„Passverzahnungen“ bekannt) kaltumformend erstellt werden, indem in ein hohlzylindrisches Werkstück ein aussenprofilierter Dorn eingebracht wird und dann eine der Profilierung des Domes entsprechende
Innenprofilierung des Werkstückes dadurch erzeugt wird, dass das Werkstück von aussen durch Schlagwalzen mittels planetenartig angetriebener und periodisch auf das Werkstück einwirkender unprofilierter Werkzeuge bearbeitet wird. Solche Verfahren sind beispielsweise aus DE 37 15 393 C2, CH 670 970 A5, CH 675 840 A5,
CH 685 542 A5 und EP 0 688 617 Bl bekannt.
Eine Erstellung von innenliegenden Laufradverzahnungen durch Kaltumformung ist allerdings nur schwer zu realisieren, da Laufradverzahnungen, zumindest im Vergleich mit Steckverzahnungen wesentlich grössere Zahnhöhen aufweisen und ausserdem im allgemeinen höhere Genauigkeitsanforderungen an die Zahnform stellen.
Ein Verfahren zum Erstellen einer Innen- und Aussenprofiliemng in dünnwandigen zylindrischen Hohlteilen ist in WO 2007/009267 Al beschrieben. Das dünnwandige Hohlteil sitzt auf einem aussenprofilierten Dorn und wird durch mindestens ein von aussen auf das Hohlteil schlagartig einwirkendes Profilierungswerkzeug kaltumformend bearbeitet. Dabei wird das Profilierungswerkzeug senkrecht zur Oberfläche, also radial, bewegt und das Hohlteil relativ gegenüber dem Profilierungswerkzeug bei gleichbleibender radialer Zustelltiefe axial verschoben. Durch dieses Verfahren kann die durch den Dom vorgegebene Profilierung auf die Innenverzahnnung des dünnwandigen Hohlteils übertragen werden, und eine durch das Profilierungswerkzeug vorgegebene Form kann auf die Aussenverzahnung des dünnwandigen Hohlteils übertragen werden. Zur Erstellung von Steckverzahnungen ist das Verfahren sehr gut geeignet, aber zur Erstellung einer innenliegenden Laufradverzahnung ist es völlig ungeeignet, da es nur bei dünnwandigen Blechteilen angewendet werden kann, wodurch weder eine für Laufradverzahnungen ausreichende Fertigungsgenauigkeit noch eine ausreichende Belastbarkeit im Einsatz erreichbar ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren zu schaffen, durch das eine innenliegende Laufradverzahnung erzeugbar ist. Weiter sollen ein entsprechendes Hohlrad und eine Vorrichtung zur Erzeugung entsprechender Hohlräder geschaffen werden. Und damit einhergehend sollen eine Verwendung der Vorrichtung und ein Planetengetriebe sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Planetengetriebes und ein Hohlradbauteil geschaffen werden.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen, welche die Nachteile der Verfahren und Vorrichtungen des Standes der Technik nicht aufweisen.
Der Erfinder hat erkannt, dass Bemühungen um Leichtbau auch Hohlräder betreffen können, die mit einer Innenverzahnung versehen sind, bei der es sich um eine
Laufradverzahnung handelt. Und darüber hinaus hat er eine Möglichkeit entwickelt, solche Hohlräder wirtschaftlich und dennoch mit hoher Genauigkeit herzustellen.
Und ausserdem ergeben sich aus der erfinderischen Idee neue Bauteile und
Anwendungen, die mit aus dem Stand der Technik bekannten Hohlrädern nicht durchführbar sind oder sich nur mit relativ grossem Aufwand und somit vermutlich nicht wirtschaftlich umsetzen bzw. herstellen lassen. Ein Aspekt der Erfindung ist, dass das Hohlrad nicht nur eine Innenverzahnung aufweist, die eine Laufradverzahnung ist, sondern auch noch eine Aussenverzahnung aufweist. Dadurch kann einerseits eine solche Restwandstärke (die ja im Bereich eines Zahnfusses der Innenverzahnung gemessen wird) vorgesehen werden, die ausreichend ist für den geplanten Einsatz des Hohlrades, aber andererseits kann im Bereich der
Zahnköpfe der Innenverzahnung eine Material stärke des Hohlrades vorgesehen sein, die deutlich geringer ist, als es der Fall wäre, wenn das Hohlrad aussen die Form einer (unverzahnten) Zylindermantelfläche beschriebe. Dort, im Bereich der Zahnköpfe der Innenverzahnung, hat das Hohlrad also eine gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten innen laufradverzahnten und aussen rotationssymmetrischen, unprofilierten Hohlrädem deutlich verringerte Material stärke, so dass das Gewicht des Hohlrades deutlich verringert ist. Lind dennoch kann eine Formstabilität erreichbar sein, die für einen geplanten Einsatz ausreichend ist.
Ausserdem ist die Aussenverzahnung nutzbar, beispielsweise um damit einen weiteren Körper verdrehsicher mit dem Hohlrad zu verbinden.
Mittels der oben genannten bekannten Sinterverfahren könnten Hohlräder hergestellt werden, die sowohl eine Innenverzahnung (als Laufradverzahnung) als auch eine Aussenverzahnung aufweisen. Auch in dem Fall kann das Hohlrad eine relativ geringe Masse aufweisen. Aber für Anwendungen, in denen das Hohlrad grösseren
mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, dürften diese ungeeignet sein.
Ferner ist davon auszugehen, dass ein Herstellen eines innen und aussen verzahnten Hohlrades mittels spanabhebender Verfahren wenig wirtschaftlich ist, da nicht nur die innenliegende Laufradverzahnung, sondern zusätzlich noch die Aussenverzahnung spanabhebend erstellt werden muss, was in erster Näherung einen verdoppelten
Fertigungsaufwand bedeutet.
Lind auch das aus WO 2013/159 241 Al bekannte Kaltumformverfahren regt nicht dazu an, zu der vorliegenden Erfindung weiterentwickelt zu werden. Ein weiterer, vorwiegend das Herstellungsverfahren und die Vorrichtung zur
Herstellung betreffender Aspekt der Erfindung ist, dass es zum Erreichen einer ausreichend grossen Genauigkeit, wie sie für Laufradverzahnungen nötig ist, eine Stabilisierung des Werkstücks während des Herstellungsprozesses braucht. Wenn mit dem hierin beschriebenen Verfahren kaltumformend hämmernd auf ein Werkstück eingewirkt wird, kann dies zu unerwünschten Verformungen führen, zum Beispiel zu Abweichungen von der Zylindersymmetrie, was wiederum zu nicht ausreichend genau ausgebildeten Flankenformen der Laufradverzahnung führen kann.
Entsprechend kann mindestens ein Stabilisierungsabschnitt vorgesehen werden, der derartigen Problemen entgegenwirkt.
Noch ein weiterer, vorwiegend das Herstellungsverfahren und die Vorrichtung zur Herstellung betreffender Aspekt der Erfindung ist, dass eine Matrize verwendet wird, die eine innenliegende Matrizenverzahnung aufweist, so dass ein Werkstück, das zu dem Hohlrad umgeformt werden soll, derart umgeformt wird, dass gleichzeitig eine Laufradverzahnung als Innenverzahnung und eine weitere Verzahnung als
Aussenverzahnung entstehen. Durch ein hämmerndes Bearbeiten des Werkstücks von innen mittels eines Prägewerkzeuges wird dort, wo das Prägewerkzeug (mit seinem vorstehenden Wirkbereich) zum Eingriff kommt, eine Zahnlücke der Innenverzahnung erzeugt, und gleichzeitig wird dort (also an der gleichen Umfangsposition) ein Zahn der Aussenverzahnung erzeugt, nämlich indem das Material des Werkstücks mittels des Prägewerkzeugs in eine Zahnlücke der Matrizenverzahnung getrieben wird. Durch die angrenzenden Zahnköpfe der Matrizenverzahnung hingegen wird ein radial nach aussen gerichteter Materialfluss unterbunden, so dass sich dort die Zahnfüsse der
Aussenverzahnung ausbilden können.
Für eine gut definierte Ausbildung der Zahnköpfe der Innenverzahnung kann das
Prägewerkzeug Kalibrierbereiche aufweisen, die gleichzeitig einen Materialfluss radial nach innen begrenzen, so dass ein neben einer Zahnlücke der Innenverzahnung ausbildender Zahnkopf radial nicht zu weit nach innen ragt. Die Umfangspositionen der Zähne der Innenverzahnung und der Zahnlücken der Aussenverzahnung sind gleich. Und die Umfangspositionen der Zahnlücken der Innenverzahnung und der Zähne der Aussenverzahnung sind ebenfalls gleich.
Typischerweise hat die (als Laufradverzahnung ausgebildete) Innenverzahnung eine grössere Verzahnungstiefe als die Aussenverzahnung. Die Verzahnungstiefe einer Verzahnung ist definiert als die Hälfte der Differenz zwischen Kopfkreisdurchmesser und Fusskreisdurchmesser der Verzahnung. Sie ergibt sich auch als Summe von Kopfhöhe und Fusshöhe der Verzahnung.
Eine Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen eines neuartigen Hohlradtyps.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen von Hohlrädern mit besonders geringem Gewicht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Hohlräder fertigen bzw. bereitstellen zu können, die eine innenliegende Laufradverzahnung von hoher Qualität aufweisen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine sehr wirtschaftliche Fertigungsweise für Hohlräder mit einer innenliegenden Laufradverzahnung bereitzustellen und
insbesondere, kurze Bearbeitungszeiten zu erreichen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, innenliegende Laufradverzahnungen mit grossen Verzahnungstiefen zu erzeugen.
Laufradverzahnungen mit schlanken Zähnen sollen in Hohlrädern erzeugbar sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, innenliegende Laufradverzahnungen in topfförmig ausgebildeten Hohlrädem zu erzeugen,
insbesondere unter Sicherstellung einer präzisen Ausrichtung des Topfbodens gegenüber der Verzahnung.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, innenliegende Laufrad- Schrägverzahnungen zu erzeugen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, innenliegende Laufrad-Pfeilverzahnungen zu erzeugen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, neuartige Hohlradbauteile zu schaffen, die ein innen- und aussenverzahntes Hohlrad beinhalten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, neuartige Getriebe zu schaffen, insbesondere neuartige Planetengetriebe.
Mindestens eine dieser Aufgaben wird zumindest teilweise durch Vorrichtungen, Verfahren und Verwendungen gemäss den Patentansprüchen gelöst.
Das Verfahren kann beispielsweise sein: ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlrades, das eine Innenverzahnung und eine Aussenverzahnung aufweist, wobei die
Innenverzahnung eine Laufradverzahnung ist, und wobei ein Werkstück durch mindestens ein Prägewerkzeug bearbeitet wird.
Das Werkstück kann einen rohrförmigen Abschnitt mit einer Längsachse aufweisen. Dieser kann einen runden (kreisförmigen) Querschnitt aufweisen. Entsprechend kann der rohrförmige Abschnitt Zylindersymmetrie aufweisen und insbesondere
zylinderrohrförmig sein.
Zusätzlich kann das Werkstück noch mindestens einen mit dem röhrförmigen Abschnitt verbundenen ersten Stabilisierungsabschnitt aufweisen. Dieser kann der
Formstabilisierung des rohrförmigen Abschnitts während der Bearbeitung durch das mindestens eine Prägewerkzeug dienen. Beispielsweise können Verformungen, die aus einem kreisförmigen Querschnitt des rohrförmigen Abschnitts einen ovalen Querschnitt machen würden, verhindert werden. Der erste Stabilisierungsabschnitt kann direkt mit dem rohrförmigen Abschnitt verbunden sein, also direkt an diesen anschliessen. Der rohrförmige Abschnitt kann aber auch indirekt, nämlich über einen Übergangsbereich, mit dem rohrförmigen Abschnitt verbunden sein.
Weiter kann eine Matrize bereitgestellt werden, die eine röhrförmige Öffnung aufweist, in welcher eine innenliegende Matrizenverzahnung ausgebildet ist. Die röhrförmige Öffnung kann zur Aufnahme des rohrförmigen Abschnitts vorgesehen sein. Sie kann dieselbe Anzahl Zähne aufweisen wie die zu erzeugenden Verzahnungen, also wie die Innenverzahnung und wie die Aussenverzahnung. Der rohrförmige Abschnitt kann in die röhrförmige Öffnung eingebracht werden, und anschliessend wird das Werkstück an der Innenseite des rohrförmigen Abschnittes durch das mindestens eine Prägewerkzeug bearbeitet. Und zwar, so dass gleichzeitig die Innenverzahnung und die Aussenverzahnung erzeugt wird.
Dazu führt das Werkstück eine Rotationsbewegung mit zeitlich variierender
Rotationsgeschwindigkeit um die genannte Längsachse durch; beispielsweise eine intermittierende Rotation. Insbesondere können das Werkstück und die Matrize doe genannte Rotationsbewegung (gemeinsam) durchführen. Und das mindestens eine Prägewerkzeug führt radial oszillierende Bewegungen durch, die mit der genannten Rotationsbewegung synchronisiert sind. Dabei kennzeichnet der Begriff„radial“ Ausrichtungen senkrecht zu der Längsachse. Der Begriff„axial“ kennzeichnet
Ausrichtungen parallel zu der Längsachse.
Die genannte Synchronisation ist so ausgestaltet, dass das mindestens eine
Prägewerkzeug den rohrförmigen Abschnitt zum Erzeugen der Aussenverzahnung bei gleichzeitigem Erzeugen der Innenverzahnung durch wiederholtes hämmerndes Bearbeiten des rohrförmigen Abschnitts in die Matrizenverzahnung einformt.
So kann also vorgesehen sein, dass - jeweils zum Zeitpunkt eines hämmernden
Eingriffs des mindestens einen Prägewerkzeugs in das Werkstück - die Matrize eine solche Drehausrichtung hat, dass an der Umfangsposition, an welcher der Eingriff des Prägewerkzeuges stattfindet, eine Zahnlücke der Matrizenverzahnung vorhanden ist. Und dies kann für jede Zahnlücke des Matrizenverzahnung vorgesehen sein, und zwar insbesondere so, dass das Prägewerkzeug den rohrförmgen Abschnitt an jeder der beschriebenen Umfangspositionen mehrmals in der beschriebenen Weise bearbeitet.
Das Verfahren ermöglicht es, Laufradverzahnungen der Qualität 8 oder 7 oder unter Umständen auch 6 nach DIN 3961 / DIN 3962 zu erzeugen. Und dies auf sehr wirtschaftliche Weise, beispielsweise weil sehr kurze Bearbeitungszeiten ermöglicht werden. Und weiter kann von relativ preisgünstigem Material ausgegangen werden, denn durch das beschriebene Kaltumformen werden die Materialeigenschaften verbessert.
Beispielsweise kann das Material eine höhere Festigkeit erhalten.
Das Prägewerkzeug kann den rohrförmigen Abschnitt wiederholt an solchen
Umfangspositionen bearbeiten, an denen die innenliegende Matrizenverzahnung Zahnlücken aufweist. Dadurch kann der rohrförmige Abschnitt sukzessive in die innenliegende Matrizenverzahnung eingeformt werden. So können Zähne der
Aussenverzahnung und Zahnlücken der Innenverzahnung an den genannten
Umfangspositionen (wo die innenliegende Matrizenverzahnung Zahnlücken aufweist) ausgebildet werden. Und gleichzeitig können Zahnlücken der Aussenverzahnung und Zähne der Innenverzahnung ausgebildet werden, und zwar an dazwischenliegenden Umfangspositionen, an denen die innenliegende Matrizenverzahnung Zähne aufweist.
Die zeitlich variierende Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks bildet
aufeinanderfolgende Phasen relativ höherer Rotationsgeschwindigkeit und relativ geringerer Rotationsgeschwindigkeit, wobei insbesondere vorgesehen werden kann, dass das Werkstück in den Phasen der relativ geringeren Rotationsgeschwindigkeit zumindest momentan zum (Rotations-) Stillstand kommt (Rotationsstillstand hat auch eine Rotationsgeschwindigkeit, nämlich null). Die Bearbeitung des Werkstückes durch ein Prägewerkzeug findet normalerweise jeweils während einer der Phasen relativ geringerer Rotationsgeschwindigkeit statt. Je langsamer das Werkstück während des Eingriffs des jeweiligen Prägewerkzeuges rotiert bzw. je länger das Werkstück in den Phasen relativ geringerer Rotationsgeschwindigkeit langsam rotiert oder stillsteht, desto besser kann eine hohe Präzision der letztlich erzeugten Laufradverzahnung erreicht werden.
Zum Beispiel kann das Prägewerkzeug das Werkstück in solchen Phasen der
Rotationsbewegung bearbeiten, in denen das Werkstück zumindest momentan stillsteht. Insbesondere kann die Rotationsbewegung des Werkstücks eine intermittierende Rotation sein, und das Prägewerkzeug bearbeitet das Werkstück in Phasen des
Rotationsstillstandes des Werkstückes. Das Prägewerkzeug ist dann also in Phasen des Stillstandes der intermittierenden Werkstückkrotationsbewegung mit dem Werkstück in Eingriff. Es ist zu bemerken, dass eine intermittierende Rotation beinhaltet, dass zwischen Phasen der Rotation Phasen des Rotationsstillstandes vorgesehen sind, wobei Phasen Zeitdauern kennzeichnen, wodurch sich Stillstandsphasen von momentanem Stillstand unterscheiden. Normalerweise ist dann vorgesehen, dass innerhalb der Zeiten des Rotationsstillstandes das Werkstück umgeformt wird, und dass während der Rotation des Werkstückes das Prägewerkzeug so weit vom Werkstück entfernt ist (bzw. alle Prägewerkzeuge so weit vom Werkstück entfernt sind), dass sich das Werkstück drehen kann, ohne mit dem (bzw. mit einem) Prägewerkzeug in Kontakt zu kommen oder gar von mit dem (bzw. einem) Prägewerkzeug an der Rotation gehindert zu werden.
Die zeitlich variierende Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks ist normalerweise eine zumindest abschnittsweise periodisch variierende Rotationsgeschwindigkeit.
Die Rotationsbewegung des Werkstücks wird von der Matrize mit ausgeführt. Zum Beispiel sind Werkstück und Matrize aneinander fixiert, so dass sie dieselbe
Rotationsbewegung ausführen.
Werkstück und Matrize sind dabei zueinander zumindest im wesentlichen koaxial ausgerichtet sowie auch (zumindest im wesentlichen) koaxial zu der Längsachse ausgerichtet.
Material des rohrförmigen Abschnitts wird durch das Bearbeiten durch das mindestens eine Prägewerkzeug so umgeformt und in die Zahnlücken der Matrizenverzahnung eingeformt, dass es aussen seine Form an die Form der Zahnköpfe und an die Form von an die Zahnköpfe angrenzenden Abschnitten der Zahnflanken der Matrizenverzahnung anpasst. So entsteht die Aussenverzahnung, mit Flankenformen, die einem Negativ von Flankenformen (oder von Abschnitten von Flankenformen) der Matrizenverzahnung entsprechen und deren Zahnfussform einem Negativ der Zahnkopfform der
Matrizenverzahnung entspricht. Gleichzeitig wird die Innenverzahnung ausgebildet, deren Flankenformen einem Negativ von Flankenformen des Prägewerkzeugs entspricht, und deren Zahnfussform einem Negativ einer Werkzeugkopfform des Prägewerkzeugs entspricht.
Das Werkstück wird durch das Prägewerkzeug hämmernd bearbeitet. Es kann durch die radial oszillierende hämmernde Bewegung des Prägewerkzeuges periodisch bearbeitet werden.
Auf diese Weise können die Innen- und die Aussenverzahnung sukzessive ausgebildet werden. Die Zahnlücken der Innenverzahnung werden mit der Zeit (aufgrund der zunehmenden Anzahl hämmernder Eingriffe pro Zahnlücke der Innenverzahnung) immer tiefer, und gleichzeitig werden die Zähne der Aussenverzahnung immer höher.
Das Prägewerkzeug dient der periodischen Einwirkung auf das Werkstück, so dass die Erzeugung der Verzahnungen in eine Vielzahl von Einzel-Prägevorgängen zerlegt stattfinden kann.
Durch das Ausbilden der Innenverzahnung und der Aussenverzahnung durch das mindestens eine Prägewerkzeug entsteht kein Material ab trag. Es findet dadurch keine Spanabtragung statt. Der rohrförmige Abschnitt wird durch das Prägewerkzeug lediglich kaltumgeformt. Ein spanabhebendes Nachbearbeiten einer der erzeugten Verzahnungen ist in der Regel nicht nötig.
Eine Querschnittsfläche des rohrförmigen Abschnitts in einer zu der Längsachse senkrecht ausgerichteten Ebene bleibt bei dem Erstellen der Verzahnungen im wesentlichen unverändert, sie ist also vor und nach den Einbringen der Verzahnungen gleich, zumindest innerhalb von 2% oder wenigstens innerhalb von 5%.
Es kann vorgesehen sein, dass das Werkstück nach Erstellen der Verzahnungen durch Wärmeeinwirkung gehärtet wird. Aufgrund der kaltumformenden Bearbeitung mittels des Prägewerkzeuges ist ein Härteverzug, dem ein Hohlrad bei einer Härtung durch Wärmeeinwirkung unterliegt, deutlich geringer als bei einem Hohlrad, bei dem die Laufradverzahnung spanabhebend erzeugt wurde. Das Werkstück ist typischerweise aus Metall beispielsweise aus einem Stahl, zum Beispiel aus legiertem Vergütungsstahl (mit typischweise mindestens 0.3%
Kohlenstoffgehalt), der nachher typischweise induktiv gehärtet oder lasergehärtet wird, oder aus legiertem Einsatzstahl (mit typischweise höchstens 0.3% Kohlenstoffgehalt), der nachher typischweise durch Gasnitrieren oder Nitrokarborieren gehärtet wird.
Die Matrize ist typischerweise aus Metall.
In einer Ausführungsform beträgt vor dem Einbringen des rohrförmigen Abschnitts in die röhrförmige Öffnung eine Materialstärke des Werkstücks in dem rohrförmigen Abschnitt weniger als das Doppelte, insbesondere weniger als das l.5-fache einer Verzahnungstiefe der Innenverzahnung.
Bei allzu grossen Material stärken kommt es zu keiner Ausbildung der
Aussenverzahnung mehr.
In einer Ausführungsform beträgt vor dem Einbringen des rohrförmigen Abschnitts in die röhrförmige Öffnung eine Material stärke des Werkstücks in dem rohrförmigen Abschnitt mindestens 0.2 mal, insbesondere mindestens ein Viertel einer
Verzahnungstiefe der Innenverzahnung.
Bei allzu geringen Material stärken hat das Material des rohrförmigen Abschnitts keine ausreichende Stabilität mehr, um in die gewünschte (innen und aussen verzahnte) Form umgeformt zu werden. In einer Ausführungsform weist das mindestens eine Prägewerkzeug einen Wirkbereich auf, der einen Werkzeugkopf und zwei daran angrenzende Werkzeugflanken aufweist. Durch die Werkzeugflanken wird die Form der Flanken der Innenverzahnung bestimmt. Durch den Werkzeugkopf wird die Form der Zahnfüsse der Innenverzahnung bestimmt.
Entsprechend kann der Wirkbereich eine Form aufweisen, die ein Negativ einer Form einer Zahnlücke der Innenverzahnung ist oder genauer: ein Negativ einer Form eines Zahnfusses einschliesslich der angrenzenden Zahnflanken der Innenverzahnung. Weiter kann das mindestens eine Prägewerkzeug zwei jeweils an eine der zwei Werkzeugflanken angrenzende Kalibrierbereiche aufweisen. Deren Form kann jeweils ein Negativ einer Form eines Abschnittes eines Zahnkopfes der Innenverzahnung sein.
Dadurch ist es möglich, auch die Zahnköpfe der Innenverzahnung in definierter Art formen. Der Materialfluss, der sich aufgrund des hämmernden Bearbeitens ergibt, kann mittels der Kalibrierbereiche entsprechend gelenkt und begrenzt werden.
Durch die Kalibrierbereiche kann die Zahnkopfform der Innenverzahnung und auch der jeweilige Bereich der Innenverzahnung genau definiert werden, wo ein Zahnkopf der Innenverzahnung an Zahnflanken der Innenverzahnung angrenzt.
In einer Ausführungsform weist die Innenverzahnung eine Längsballigkeit auf.
In einer Ausführungsform sind die Werkzeugflanken derart geformt, dass die
Innenverzahnung eine Längsballigkeit aufweist.
Entsprechend weisen die Werkzeugflanken eine Konkavität auf. Genauer ist dies eine Konkavität relativ zu der Form von Werkzeugflanken, die zur Ausbildung derselben Innenverzahnungs ohne Längsballigkeit ausgebildet sind.
Beispielsweise für den Fall, dass die Innenverzahnung eine Geradverzahnung ist, weist das Prägewerkzeug (und genauer: der Wirkbereich des Prägewerkzeuges) in einem durch die Werkzeugflanken verlaufenden Schnitt, der senkrecht zu einer mittig zwischen den Werkzeugflanken verlaufenden Ebene verläuft, an beiden
Werkzeugflanken eine Konkavität auf. In dem genannten Schnitt beschreiben beide Werkzeugflanken je eine konkave Linie. Das Prägewerkzeug (und genauer: der Wirkbereich des Prägewerkzeuges) weist in diesem Schnitt eine Taille auf.
Wegen der Konkavität der Werkzeugflanken weist die erzeugte Innenverzahnung eine entsprechende Konvexität auf: die Längsballigkeit.
Relativ zu den aus dem Stand der Technik bekannten dickwandigen Hohlräder (ohne eine entsprechende Aussenverzahnung) sind die hier beschriebenen Hohlräder dünnwandig. Dadurch können grosse mechanische Belastungen bei diesen Hohlrädern eher zu elastischen Verformungen führen, als es bei dickwandigen Hohlrädern gleicher Restwandstärke der Fall wäre. Für ein besseres Laufverhalten, zum Beispiel für mehr Laufruhe, kann die genannte Längsballigkeit vorgesehen werden. Kantenträger können so vermieden werden; ein gut definierter Kontakt eines in dem Hohlrad laufenden aussenverzahnten Rades, beispielsweise im wesentlichen in der Mitte der durch die Innenverzahnung verzahnten Länge, kann sichergestellt werden.
Das Prägewerkzeug kann in Verlaufsrichtung des Werkzeugkopfes (entsprechend der Verzahnungsrichtung, also der Verlaufsrichtung der Zahnlücken der Innenverzahnung) mindestens so lang sein wie, insbesondere sogar länger sein, als die Zahnlücken der Laufradverzahnung. Dies bezieht sich natürlich auf den Wirkbereich des
Prägewerkzeuges, wo ja das Prägewerkzeug in das Werkstück eingreift, also mit diesem in (umformenden) Kontakt kommt. Dies kann dazu beitragen, sicherzustellen, dass die Laufradverzahnung über ihre gesamte Länge mit hoher Präzision erstellt wird. Und das Verfahren kann besonders wirtschaftlich sein. Und es kann vereinfachen, die oben beschriebene Längsballigkeit der Innenverzahnung zu erzeugen, insbesondere nämlich, indem ein Prägewerkzeug verwendet wird und bei jedem der hämmernden Eingriffe über die gesamte Verzahnungslänge der Innenverzahnung mit dem Werkstück in umformenden Kontakt kommt, das die oben beschriebene Konkavität der
Werkzeugflanken aufweist.
Es ist möglich, das Verfahren mit den beschriebenen Bearbeitungsschritten so durchzuführen, dass anschliessend keine zusätzlichen Schritte zur Kalibrierung oder Nachformung der Laufradverzahnung mehr durchgeführt werden müssen.
In einer Ausführungsform wird in einer Vielzahl von Umläufen der Rotation des Werkstückes durch die (periodische) Bearbeitung des Werkstücks mittels des
Prägewerkzeugs eine in Verzahnungsrichtung fortschreitende Ausbildung der Innen- und der Aussenverzahnung bewirkt, bis eine vorgegebene verzahnte Länge erreicht ist. Typischerweise werden in dem Fall das mindestens eine Prägewerkzeug und das Werkstück (während der Rotationsbewegung des Werkstückes und während der radial oszillierenden Prägewerkzeugbewegung) in Axialrichtung relativ zueinander bewegt. Die Relativbewegung von Werkstück und Prägewerkzeug beschreibt somit beispielsweise eine von der radial oszillierenden Bewegung des genannten
Prägewerkzeuges überlagerte schraubenförmige Raumkurve.
Unabhängig davon, ob beispielsweise die Umformung des Werkstücks bei jedem hämmernden Eingriff über die gesamte Verzahnungslänge stattfindet oder ob das
Werkstück bei jedem hämmernden Eingriff nur in einem Bereich umgeformt wird, der sich nur entlang eines Bruchteils der Verzahnungslänge erstreckt, ist es möglich, das Verfahren mit einem einzigen Prägewerkzeug durchzuführen oder auch zwei
Prägewerkzeuge zu verwenden.
So oder so wird der rohrförmige Abschnitt mit den Verzahnungen, also mit der Innenverzahnung und der Aussenverzahnung, versehen.
In manchen Ausführungsformen ist der mit der Innen- und der Aussenverzahnung versehene Bereich des Werkstücks identisch mit dem rohrförmigen Abschnitt.
In manchen Ausführungsformen gehen die Innen- und die Aussenverzahnung über in eine Restverzahnung in einem Übergangsbereich, der an den rohrförmigen Abschnitt anschliesst. Mehr dazu weiter unten.
Der bereits erwähnte erste Stabilisierungsabschnitt kann mit dem röhrförmigen Abschnitt zusammen einstückig ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Werkstück, dessen rohrförmiger Abschnitt in die röhrförmige Öffnung eingebracht wird, ein tiefgezogenes Blechteil sein, zum Beispiel eines aus Stahlblech.
Auch kann der erste Stabilisierungsabschnitt einen Kragen des Hohlrades bilden, insbesondere einen Kragen, der mit dem röhrförmigen Abschnitt zusammen einstückig ausgebildet ist.
Es kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass der erste Stabilisierungsabschnitt (oder der genannte Kragen) weder die genannte Innenverzahnung noch die genannte Aussenverzahnung aufweist.
Der Kragen kann ein nicht-verzahnter Kragen sein. Der Kragen kann auf die Längsachse zu oder von der Längsachse weg gerichtet sein.
So kann der erste Stabilisierungsabschnitt eine Versteifung des Werkstücks bewirken unerwünschte Verformungen des Werkstücks, insbesondere auch im Bereich der Verzahnungen, können somit drastisch verringert werden, so dass die Umformung mittels des mindestens einen Prägewerkzeuges mit hoher Präzision stattfinden kann. Und ein grundsätzlich kreisrunder Querschnitt des rohrförmigen Abschnitt kann während des Umformens und auch im fertigen Hohlrad erhalten bleiben.
Die Formstabilisierung durch den ersten Stabilisierungsabschnitt ermöglicht es, Verformungen in radiale Richtung, die ungleichmässig über den Umfang sind, zu minimieren. Beispielsweise können unerwünschte Verformungen des rohrförmigen Abschnitts zu einem Oval verhindert oder wenigstens stark reduziert werden.
Weiter kann insbesondere das Vorsehen zweier Stabilisierungsabschnitte,
beispielsweise an gegenüberliegenden Enden des rohrförmigen Abschnitts,
Verformungen des rohrförmigen Abschnitts verhindern oder stark verringern, die eventuell anderenfalls auftreten und zu einer Konizität des rohrförmigen Abschnitts führen könnten, also zum Beispiel zu einer Veränderung des Durchmessers des rohrförmigen Abschnitts entlang einer Richtung parallel zur Längsachse.
Ein erster Stabilisierungsabschnitt, der am Hohlrad verbleibt, kann auch der
Formstabilisierung des rohrförmigen Abschnittes im Einsatz dienen, zum Beispiel einerseits (i) unter Last, wie beispielsweise bei Belastung durch mindestens ein in dem Hohlrad laufenden Planetenrad, und/oder andererseits (ii) zur Stabilisierung gegen Fliehkräfte bei schneller Rotation des Hohlrades.
In manchen Ausführungsformen bildet der erste Stabilisierungsabschnitt einen
Stabilisierungskragen.
In manchen Ausführungsformen bildet der erste Stabilisierungsabschnitt eine
Stabilisierungsrippe.
In manchen Ausführungsformen ist der erste Stabilisierungsabschnitt auf die
Längsachse zu gerichtet. Er kann vom rohrförmigen Abschnitt aus nach innen gerichtet sein. So kann die Ausdehnung des Hohlrades in Längsrichtung klein gehalten werden. Ausserdem kann dies das Entfernen des rohrförmigen Abschnitts aus der Matrize nach Erstellen der Verzahnungen vereinfachen.
Andererseits kann manchen Ausführungsformen der erste Stabilisierungsabschnitt von der Längsachse weg gerichtet sein, zum Beispiel gerichtet ein. Er kann vom
rohrförmigen Abschnitt aus nach aussen gerichtet sein. So kann auch bei einer eher geringen radialen Ausdehnung des ersten Stabilisierungsabschnitts eine relativ gute Formstabilisierung erreicht werden. Und der erste Stabilisierungsabschnitt kann so ausgestaltet sein, dass durch ihn der Zugang zum Inneren des Hohlrades nicht behindert wird.
Der erste Stabilisierungsabschnitt (oder der genannte Kragen) kann umlaufend, insbesondere vollständig umlaufend ausgebildet sein. Er kann vollständig um den Umfang des rohrförmigen Abschnitts umlaufend sein.
Weiter kann der erste Stabilisierungsabschnitt (oder der genannte Kragen)
rotationssymmetrisch um die Längsachse sein. Auf diese Weise werden alle radialen Richtungen gleichermassen stabilisiert.
In manchen Ausführungsformen bildet der erste Stabilisierungsabschnitt eine umlaufende, gegenüber dem rohrförmigen Abschnitt gewinkelte Stirnfläche des Hohlrades. Die Stirnfläche kann beispielsweise in einer Ebene liegen, auf der die Längsachse senkrecht steht. So kann relativ zur Menge des für den ersten
Stabilisierungsabschnitt aufgewendeten Materials eine besonders gute
Formstabilisierung erreicht werden.
In manchen Ausführungsformen ist das Werkstück in dem ersten
Stabilisierungsabschnitt relativ zu dem rohrförmigen Abschnitt aufgeweitet oder verengt oder um mindestens 90° nach innen oder nach aussen gerichtet.
Das Werkstück einschliesslich des ersten (und ggf. auch eines zweiten)
Stabilisierungsabschnitts kann beispielsweise durch Umformung, zum Beispiel kaltumformend, aus einem rohrförmigen Grundkörper gewonnen. Beispielsweise kann das Werkstück in dem ersten Stabilisierungsabschnitt gegenüber dem rohrförmigen Abschnitt aufgeweitet sein, und insbesondere einen sich mit zunehmendem Abstand von dem rohrförmigen Abschnitt vergrössemden Durchmesser aufweisen; oder er kann sich verjüngen, und insbesondere einen sich mit zunehmendem Abstand von dem rohrförmigen Abschnitt verkleinernden Durchmesser aufweisen.
Zum Beispiel kann der erste Stabilisierungsabschnitt eine rotationssymmetrische Kegel stumpfmantelform beschreiben. Insbesondere kann der erste
Stabilisierungsabschnitt so ausgebildet sein, dass er in einem, beispielsweise in jedem, Querschnitt senkrecht zur Längsache eine zu der Längsachse gewinkelt ausgerichtete gerade Linie beschreibt.
In manchen Ausführungsformen hingegen beschreibt der erste Stabilisierungsabschnitt eine Kreisringform. Auf diese Weise kann ein Platzbedarf des ersten
Stabilisierungsabschnitts in axiale Richtung sehr klein gehalten werden. Der erste Stabilisierungsabschnitt kann im wesentlich rechtwinklig zur Längsachse erstreckt sein. Der beschriebene Kreisring kann einen Innendurchmesser aufweisen, der im
wesentlichen dem Aussendurchmesser des rohrförmigen Abschnitts entspricht. In anderen Ausführungsformen kann der Kreisring einen Aussendurchmesser haben, der im wesentlichen dem Innendurchmesser des rohrförmigen Abschnitts entspricht.
In manchen Ausführungsformen ist der erste Stabilisierungsabschnitt mit einem ersten Ende des rohrförmigen Abschnittes direkt verbunden. In anderen Ausführungsformen ist der erste Stabilisierungsabschnitt indirekt, nämlich über einen Übergangsbereich, mit einem erste Ende des rohrförmigen Abschnittes verbunden.
In einer Ausführungsform hat der erste Stabilisierungsabschnitt (oder der entsprechende Kragen) einen minimalen Abstand von der Längsachse, der geringer ist, insbesondere der um mindestens das 0.25-fache (zum Beispiel mindestens um das 0.4-fache) einer Yerzahnungstiefe der Innenverzahnung geringer ist, als ein minimaler Abstand, den der rohrförmige Abschnitt (vor Erzeugung der Verzahnungen) von der Längsachse hat.
Zum Beispiel kann der erste Stabilisierungsabschnitt (oder der entsprechende Kragen) rotationssymmetrisch um die Längsachse sein, ebenso wie der rohrförmige Abschnitt, und sein Innendurchmesser ist geringer als der Innendurchmesser des rohrförmigen Abschnitts (vor Erzeugung der Verzahnungen), beispielsweise um mindestens das 0.5-fache (insbesondere um mindestens das 0.8-fache) einer Verzahnungstiefe der Innenverzahnung. Dadurch kann eine geeignete Formstabilität realisierbar sein.
Und/oder der erste Stabilisierungsabschnitt (oder der entsprechende Kragen) hat einen minimalen Abstand von der Längsachse, der geringer ist, insbesondereder um mindestens das 0.2-fache (zum Beispiel mindestens um das 0.4-fache) einer
Verzahnungstiefe der Innenverzahnung geringer ist, als ein minimaler Abstand, den ein Zahnkopf der Innenverzahnung von der Längsachse hat. Zum Beispiel kann der erste Stabilisierungsabschnitt (oder der entsprechende Kragen) rotationssymmetrisch um die Längsachse sein, und sein Innendurchmesser ist geringer als der Kopfkreisdurchmesser der Innenverzahnung, beispielsweise um mindestens das 0.3-fache oder 0.4-fache (insbesondere um mindestens das 0.8-fache) einer Verzahnungstiefe der
Innenverzahnung geringer als der Kopfkreisdurchmesser der Innenverzahnung. Dadurch kann eine geeignete Formstabilität realisierbar sein.
In einer Ausführungsform hat der erste Stabilisierungsabschnitt (oder der entsprechende Kragen) einen maximalen Abstand von der Längsachse, der grösser ist, insbesondere der um mindestens das 0.25-fache (zum Beispiel mindestens um das 0.4-fache) einer Verzahnungstiefe der Innenverzahnung grösser ist, als ein maximaler Abstand, den der rohrförmige Abschnitt (vor Erzeugung der Verzahnungen) von der Längsachse hat.
Zum Beispiel kann der erste Stabilisierungsabschnitt (oder der entsprechende Kragen) rotationssymmetrisch um die Längsachse sein, ebenso wie der rohrförmige Abschnitt, und sein Aussendurchmesser ist grösser als der Aussendurchmesser des rohrförmigen Abschnitts (vor Erzeugung der Verzahnungen), beispielsweise um mindestens das 0.5-fache (insbesondere um mindestens das 0.8-fache) einer Verzahnungstiefe der Innenverzahnung. Dadurch kann eine geeignete Formstabilität realisierbar sein.
Und/oder der erste Stabilisierungsabschnitt (oder der entsprechende Kragen) hat einen maximalen Abstand von der Längsachse, der grösser ist, insbesondere der um mindestens das 0.2-fache (zum Beispiel mindestens um das 0.4-fache) einer
Verzahnungstiefe der Innenverzahnung grösser ist, als ein maximaler Abstand, den ein Zahnkopf der Innenverzahnung von der Längsachse hat. Zum Beispiel kann der erste Stabilisierungsabschnitt (oder der entsprechende Kragen) rotationssymmetrisch um die Längsachse sein, und sein Aussendurchmesser ist grösser als der Kopfkreisdurchmesser der Innenverzahnung, beispielsweise um mindestens das 0.3-fache oder 0.4-fache (insbesondere um mindestens das 0.8-fache) einer Verzahnungstiefe der
Innenverzahnung grösser als der Kopfkreisdurchmesser der Aussenverzahnung.
Dadurch kann eine geeignete Formstabilität realisierbar sein.
Die genaue Dimensionierung des ersten Stabilisierungsabschnittes hängt von vielen Details ab, beispielsweise von den Materialeingeschaften des rohrfömigen Abschnitts und von dessen Material stärke.
In manchen Ausführungsformen bildet der erste Stabilisierungsabschnitt einen
Bodenteil des Werkstücks. Der rohrförmige Abschnitt kann zusammen mit dem
Bodenteil topfförmig ausgebildet sind, wobei der rohrförmige Abschnitt eine
Topfwandung und der Bodenteil einen Topfboden bildet. Der Bodenteil kann eine Öffnung aufweisen, insbesondere eine zentrale Öffnung.
Das Werkstück kann zusätzlich zu dem ersten Stabilisierungsabschnitt noch einen zweiten Stabilisierungsabschnitt aufweisen. Die für den zweiten
Stabilisierungsabschnitt beschriebenen Eigenschaften und Funktionen können dieselben sein, wie sie für den ersten Stabilisierungsabschnitt beschriebenen sind. Mit der Ausnahme, dass im allgemeinen nicht vorgesehen ist, dass beide
Stabilisierungsabschnitte an ein und dasselbe Ende des rohrförmigen Abschnitts anschliessend sind. Hingegen kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass der erste Stabilisierungsabschnitt an ein erstes Ende des rohrförmigen Abschnitts anschliessend ist (sei es direkt oder über einen ersten Übergangsbereich), und dass der zweite
Stabilisierungsabschnitt an ein zweite Ende des rohrförmigen Abschnitts anschliessend ist (sei es direkt oder über einen zweiten Übergangsbereich). Es können zum Beispiel die beiden Stabilisierungsabschnitte je an einem der gegenüberliegenden Enden des rohrförmigen Abschnitts anschliessend vorgesehen sein (direkt oder indirekt). Es kann also vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Innenverzahnung und zumindest ein Teil der Aussenverzahnung bezüglich ihrer axialen Position zwischen dem ersten und den zweiten Stabilisierungsabschnitt angeordnet ist.
Wenn zwei Stabilisierungabschnitte vorgesehen sind, kann vorgesehen sein, dass mindestens einer davon, zum Beispiel der erste Stabilisierungsabschnitt (oder der entsprechende Kragen) auf die Längsachse zu gerichtet ist. Und/oder dieser erste Stabilisierungsabschnitt (oder der entsprechende Kragen) weist die weiter oben angegebenen Dimensionen auf bezüglich dessen Minimalabstand zur Längsachse bzw. bezüglich seines Innendurchmessers. Ein Entfernen des rohrförmigen Abschnitts aus der Matrize nach Bearbeitung durch das mindestens eine Prägewerkzeug kann dadurch erleichtert werden.
Im Falle zweier Stabilisierungsabschnitte können also beispielsweise · beide Stabilisierungsabschnitte nach innen gerichtet sein; oder
• einer der Stabilisierungsabschnitte nach innen und ein weiterer nach aussen
gerichtet sein.
In manchen Ausführungformen weist das Werkstück (bzw. das Hohlrad) einen zweiten Stabilisierungsabschnitt auf, wobei dieser auf die Längsachse zu gerichtet ist, und wobei ein minimaler Abstand, den dieser von der Längsachse hat, geringer ist als ein minimaler Abstand, den ein Zahnkopf der Innenverzahnung von der Längsachse hat.
Für mögliche Dimensionierungen wird auf die weiter oben angegebenen
Dimensionierungen für den ersten Stabilisierungsabschnitt verwiesen.
In einer Ausführungsform haben der rohrförmige Abschnitt und der erste
Stabilisierungsabschnitt vor dem Bearbeiten durch das Prägewerkzeug die gleiche Material stärke. Entsprechende Werkstücke bzw. Rohlinge sind recht günstig und einfach zu fertigen. In manchen Ausführungsformen ist die Innenverzahnung als eine Hochverzahnung ausgebildet, mit einer Verzahnungstiefe von mehr als dem 2.0-fachen eines
Normalmoduls der Innenverzahnung, beispielsweise mit einer Verzahnungstiefe von mehr als dem 2.2-fachen eines Normalmoduls der Innenverzahnung. Insbesondere kann die Innenverzahnung eine Verzahnungstiefe von mindestens dem 2.4-fachen eines Normalmoduls der Innenverzahnung haben. Grosse Verzahnungstiefen ermöglichen einen grossen Überdeckungsgrad, was die entsprechenden Hohlräder besonders belastbar macht.
Eine Verzahnungstiefe, die dem 2.2-fachen eines Normalmoduls einer
Laufradverzahnung entspricht, entspricht einem gebräuchlichen Wert für Laufrad- Evolventenverzahnungen .
In manchen Ausführungsformen hat die Innenverzahnung einen Modul zwischen 0.5 und 5, insbesondere zwischen 1 und 3 und/oder einen Modul von mindestens 1.25.
In manchen Ausführungsformen weist die Innenverzahnung einen Teilkreisdurchmesser und eine verzahnte Länge auf, für die gilt, dass der Teilkreisdurchmesser mindestens 2 mal und höchstens 20 mal so gross ist, insbesondere mindestens 3 mal und höchstens 15 mal so gross ist oder mindestens 4 mal und höchstens 10 mal so gross ist wie die verzahnte Länge.
Bekanntermassen gilt für den Stirn-Modul ms: ms = Td/p, wobei Td den
Teilkreisdurchmesser bezeichnet und p die Anzahl Zähne der Verzahnung. Und es gilt für den Stirn-Modul ms: ms = t/p, wobei p die Kreiszahl und t die Teilung
(Stirnteilung) der Verzahnung bezeichnet. Und der Normalmodul IUN ergibt sich als IΉN = ms cos ß, wobei ß der Schrägungswinkel einer Schrägverzahnung ist; für Geradverzahnungen ist ß = 0°.
Die Innenverzahnung und die Aussenverzahnung können Geradverzahnungen sein.
In manchen Ausführungsformen aber sind die Innenverzahnung und die
Aussenverzahnung Schrägverzahnungen. Dabei kann für den Schrägungswinkel insbesondere gelten: 40° > |ß| > 5°. In weiteren Ausführungsformen sind die Innenverzahnung und die Aussenverzahnung Pfeilverzahnungen.
Die Innenverzahnung kann eine Evolventenverzahnung sein. Aber auch andere
Laufradverzahnungen sind herstellbar. Beispielsweise kann die Innenverzahnung eine Zykloidenverzahnung sein.
In manchen Ausführungsformen ist eine Verzahnungstiefe der Aussenverzahnung kleiner als eine Verzahnungstiefe der Matrizenverzahnung. Eine entsprechende
Dimensionierung der Matrize (bzw. der Zahnlücken der Matrizenverzahnung) kann die Herstellung des Hohlrades und insbesondere das Umformen erleichtern.
In manchen Ausführungsformen ist eine Verzahnungstiefe der Aussenverzahnung kleiner als eine Verzahnungstiefe der Innenverzahnung. Eine entsprechende
Dimensionierung des Prägewerkzeugs (bzw. dessen Wirkbereichs) und der Matrize (bzw. der Zahnlücken der Matrizenverzahnung) kann die Herstellung des Hohlrades und insbesondere das Umformen erleichtern.
Die Matrize kann aus einem Metall gefertig sein. Sie kann einstückig ausgebildet sein.
Die meisten das Werkstück betreffenden Merkmale können auf das (fertiggestellte) Hohlrad übertragen werden. Auch wenn manche der Eigenschaften des Werkstücks bzw. des Hohlrades, wie zum Beispiel die Eigenschaften des ersten
Stabilisierungsbereichs, zumindest scheinbar in einem speziellen Zusammenhang, wie zum Beispiel im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren, beschrieben sind, können diese grundsätzlich ebenso Eigenschaften des fertiggestellten Hohlrades sein. Um den Text knapp zu fassen, werden die meisten dieser Eigenschaften darum nicht nochmals als explizit das fertiggestellte Hohlrad betreffende Merkmale wiederholt. Dennoch:
Das Hohlrad weist auf: — einen rohrförmigen Abschnitt mit einer Längsachse, der eine Innenverzahnung und eine Aussenverzahnung aufweist, wobei die Innenverzahnung eine
Laufradverzahnung ist;
— einen ersten Stabilisierungsabschnitt.
Der erste Stabilisierungsabschnitt kann verzahnungsfrei sein. Und er kann mit dem röhrförmigen Abschnitt zusammen einstückig ausgebildet sein. Er kann einen Kragen des Hohlrades bilden. Dabei kann der Kragen insbesondere auf die Längsachse zu oder von der Längsachse weg gerichtet sein. Der Kragen kann direkt an den rohrförmigen Abschnitt angrenzend sein oder an einen Übergangsbereich angrenzen, der seinerseits direkt an den rohrförmigen Abschnitt angrenzt. Der rohrförmige Abschnitt kann grundsätzlich zylinderrohrförmig sein. Der erste Stabilisierungsabschnitt kann rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse sein.
Eine relative Dünnwandigkeit des Hohlrades kann dadurch beschrieben werden, dass eine Differenz von Fusskreisdurchmesser der Aussenverzahnung und
Kopfkreisdurchmesser der Innenverzahnung weniger als das Doppelte, insbesondere weniger als das l.5-fache einer Verzahnungstiefe der Innenverzahnung beträgt.
Weiter kann vorgesehen sein, dass eine Differenz von Fusskreisdurchmesser der Aussenverzahnung und Kopfkreisdurchmesser der Innenverzahnung mehr als das 0.2-fache, insbesondere mehr als das 0.3-fache einer Verzahnungstiefe der
Innenverzahnung beträgt.
Wenn ein Hohlrad in der beschriebenen Weise hergestellt wird, können
charakteristische Formen entstehen, deren Existenz und Ausprägung unter anderem davon abhängen können, wie der erste Stabilisierungsabschnitt relativ zu den
Innenverzahnung und der Aussenverzahnung augeordnet ist. Sie können aber am fertigen Produkt Hohlrad erkennen lassen, dass dieses in der beschriebenen Weise gefertigt wurde - ausser vielleicht, die charakteristische Formen wurden anschliessend entfernt. In einer Ausführungsform des Hohlrades ist der Kragen von der Längsachse weg gerichtet, und in einem Übergangsbereich zwischen dem rohrförmigen Abschnitt und dem ersten Stabilisierungsabschnitt ist eine an die Innenverzahnung anschliessende innenliegende Restverzahnung ausgebildet. Und weiter ist — ein Kopfkreisdurchmesser der innenliegenden Restverzahnung kleiner als ein
Kopfkreisdurchmesser der Innenverzahnung;
und/oder
— an jedem Zahnfuss der innenliegenden Restverzahnung ein axial vorstehender Wulst ausgebildet.
Wenn der Eingriff des mindestens einen Prägewerkzeuges sich bis dort erstreckt, wo bezüglich seiner axialen Position der erste Stabilisierungsabschnitt beginnt, ist dort ein radial nach aussen gerichteter Materialfluss durch den ersten Stabilisierungsabschnitt stark erschwert. Entsprechend muss sich das Material beim Kaltumformen andere Wege suchen. In der beschriebenen Anordnung bedeutet das einerseits Materialfluss radial nach innen (beidseitig des Wirkbereichs des Prägewerkzeugs), so dass es zu den verkleinerten Kopfkreisdurchmesser der innenliegenden Restverzahnung kommt. Und andererseits fliesst das Material auch ungefähr in die axiale Richtung, die vom rohrförmigen Abschnitt wegweist, so dass sich die Wulste bilden.
In einer anderen Ausführungsform des Hohlrades ist in einem Übergangsbereich zwischen dem rohrförmigen Abschnitt und dem ersten Stabilisierungsabschnitt eine an die Aussenverzahnung anschliessende äussere Restverzahnung ausgebildet, wobei in dem Übergangsbereich eine Verzahnungstiefe der äusseren Restverzahnung von einer Verzahnungstiefe der Aussenverzahnung auf null stetig abnimmt. Insbesondere können Zähne der äusseren Restverzahnung in dem Übergangsbereich, insbesondere in einem an den rohrförmigen Abschnitt angrenzenden Abschnitt des Übergangsbereichs eine abgerundete Schulter aufweisen. Dabei kann der Kragen des ersten
Stabilisierungsabschnitts auf die Längsachse zu gerichtet sein; aber der erste Stabilisiemngsabschnitt kann auch anders ausgebildet sein und zum Beispiel einen nach aussen gerichteten Kragen aufweisen.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Abschnitt des Übergangsbereich rohrförmig, insbesondere zylinderrohrförmig, ausgebildet sein kann. Zum Beispiel kann ein an den rohrförmigen Abschnitt angrenzender Abschnitt des Übergangsbereiches rohrförmig, insbesondere zylinderrohrförmig, ausgebildet sein.
Der Übergangsbereich kann (als Ganzes) rohrförmig ausgebildet sein.
Um den genannte stetige Abnahme quantitativ genauer zu beschreiben, kann man sagen, dass in einem die Längsachse enthaltenden Schnitt durch einen Zahn der
Aussenverzahnung ein Winkel, der die Abnahme beschreibt, kleiner als 80°,
inbesondere kleiner als 70° ist. Und weiter kann dieser Winkel grösser als 5° sein, insbesondere grösser as 10°. Der Winkel lässt sich zum Beispiel so definieren, dass man in dem genannten Schnitt einen ersten Punkt bestimmt, an dem der Zahn (im Bereich der Restverzahnung) noch 90% der Höhe hat, die er im rohrförmigen Abschnitt hat, und einen zweiten Punkt bestimmt, an dem der Zahn (im Bereich der Restverzahnung) noch 10% der Höhe hat, die er im rohrförmigen Abschnitt hat, und der Winkel, den eine diese beiden Punkte verbindende Gerade mit der Längsachse einschliesst, ist der genannte Winkel.
Selbstverständlich kann ein Werkstück sowohl — in einem Übergangsbereich zwischen dem rohrförmigen Abschnitt und einem von der Längsachse weg gerichteten Kragen eines Stabilisierungsabschnitts eine innere Restverzahnung (mit dem Wulst oder den genannten
Kopfkreisdurchmesserverhältnissen) als auch
— in einem anderen Übergangsbereich zwischen dem rohrförmigen Abschnitt und einem anderen Stabilisierungsabschnitt eine äussere Restverzahnung (mit abgerundeter Schulter)
aufweisen. Der Durchmesser (Teilkreisdurchmesser) der Innenverzahnung liegt typischerweise im Bereich 50 mm bis 500 mm, insbesondere im Bereich 100 mm bis 400 mm und oft im Bereich 150 mm bis 350 mm.
Weiter beschreiben wir noch ein Hohlradbauteil. Dieses weist ein Hohlrad der beschriebenen Art auf sowie zusätzlich noch einen Körper. Der Körper ist dadurch gegenüber dem Hohlrad drehgesichert ist, dass er eine zu der Aussenverzahnung passende Innenprofilierung aufweist.
Die Aussenverzahnung kann also beispielsweise einer drehsicheren Aufnahme des Hohlrades dienen.
Die Drehsicherung betrifft eine Drehung um die Längsachse.
Beispielsweise kann der Körper formschlüssig mit der Aussenverzahnung verbunden sein. Zum Beispiel kann der Körper an die Aussenverzahnung angegossen sein.
Ein Schritt bei der Herstellung des genannten Körpers kann also beispielsweise sein, dass die Aussenverzahnung eingegossen wird, wodurch zumindest ein Teil des genannten Körpers gebildet wird.
In manchen Ausführungsformen ist das Hohlrad ein Getriebehohlrad.
Das Hohlrad kann in Planetengetrieben Anwendung finden.
Das Planetengetriebe weist ein Hohlrad der beschriebenen Art auf sowie mindestens ein in das Hohlrad eingebrachtes aussenverzahntes Zahnrad. Dieses ist für ein
Zusammenwirken mit dem Hohlrad in geeigneter Weise verzahnt.
Typischerweise werden ein Sonnenrad und mindestens zwei Planetenräder in das Hohlrad eingebracht.
Entsprechend beinhaltet das Verfahren zum Herstellen eines Planetengetriebes, dass ein Hohlrad in der beschriebenen Art und Weise hergestellt wird, und es umfasst weiter das Bereitstellen mindestens eines aussenverzahnten Zahnrades und ein Einbringen dessen in das Hohlrad. Das genannte Zahnrad weist eine Aussenverzahnung auf, die zu der Innenverzahnung des Hohlrades passend ist. Und typischerweise werden ein Sonnenrad und mindestens zwei Planetenräder in das Hohlrad eingebracht.
Weiter betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung, die zur Durchführung des
Herstellungsverfahrens geeignet ist bzw. eine Vorrichtung mit den folgenden
Eigenschaften:
Vorrichtung zur Herstellung von Hohlrädern, die eine Innenverzahnung und eine Aussenverzahnung aufweisen, wobei die Innenverzahnung eine Laufradverzahnung ist, und die Vorrichtung weist auf: — eine Matrize, die zur Aufnahme eines rohrförmigen Abschnitts eines
Werkstücks eine röhrförmige Öffnung aufweist, in welcher eine innenliegende Matrizenverzahnung ausgebildet ist;
— einen um eine Längsachse rotierbaren Matrizenhalter zur Halterung der Matrize, derart, dass ein rohrförmiger Abschnitt eines in die Matrize aufgenommenen Werkstücks an seiner Innenseite bearbeitbar ist;
— einen Drehantrieb für die Rotation des Matrizenhalters, der ausgelegt ist zur Erzeugung einer Rotation mit zeitlich variierender Rotationsgeschwindigkeit, insbesondere zur Erzeugung einer intermittierenden Rotation;
— einen Werkzeughalter zum Halten mindestens eines Prägewerkzeuges, der zu einer senkrecht zu der Längsachse verlaufenden oszillierenden Bewegung antreibbar ist, so dass der rohrförmige Abschnitt an seiner Innenseite durch das mindestens eine Prägewerkzeug wiederholt, insbesondere periodisch bearbeitbar ist;
— eine Synchronisationsvorrichtung zur Synchronisation der mittels des
Drehantriebs erzeugbaren Rotation des Matrizenhalters mit der senkrecht zu der
Längsachse verlaufenden oszillierenden Bewegung des Werkzeughalters. Viele weitere Details der Vorrichtung ergeben sich direkt aus dem oben beschriebenen Verfahren. Diese werden hier darum nicht wiederholt.
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Ladevorrichtung zum Einfuhren eines rohrförmigen Abschnitts eines in die Matrize aufzunehmenden Werkstücks in die röhrförmige Öffnung der Matrize auf. Die Ladevorrichtung weist einen weiteren Antrieb auf, für eine parallel zu der Längsachse verlaufende Relativbewegung von Werkstück und Matrize. So lässt sich das Einführen des rohrförmigen Abschnitts in die röhrförmige Öffnung der Matrize automatisieren.
Weiter kann es relevant sein, sicherzustellen, dass zumindest zu Beginn der
kaltumformenden Bearbeitung durch das Prägewerkzeug eine Relativposition von Werkstück und Matrize (axial und/oder radial) fixiert ist.
Entsprechend kann die Vorrichtung eine Haltevorrichtung zum Fixieren einer Position eines in die Matrize aufgenommenen Werkstücks relativ zu der Matrize während der genannten Rotation des Matrizenhalters aufweisen. Beispielsweise kann mittels der Haltevorrichtung ein Anpressdruck erzeugbar sein, durch welchen Werkstück und
Matrize in axialer Richtung aufeinander zu gepresst werden. So führen Werkstück und Matrize dieselbe Rotationsbewegung durch.
Die Anpressvorrichtung kann mit der genannten Rotation des Matrizenhalters mitrotierbar sein.
Das Fixieren kann zum Beispiel durch Druckbeaufschlagung an einem
Stabilisierungsabschnitt des Werkstücks erfolgen.
Beispielsweise kann ein axiales Anpressen des Werkstücks an die Matrize oder der Matrize an das Werkstück stattfinden.
Die Halte Vorrichtung kann zu dem zusätzlichen Antrieb vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, dass mindestens ein Teil der Haltevorrichtung mit mindestens einem Teil des weiteren Antriebs identisch ist. Die beschriebene Vorrichtung kann zum gleichzeitigen Erstellen einer Innenverzahnung und einer Aussenverzahnung in einem rohrförmigen Abschnitt eines Werkstücks verwendet werden, wobei die Innenverzahnung eine Laufradverzahnung ist.
Weiter Details der Verwendung der Vorrichtung ergeben sich aus der obigen
Beschreibung des Herstellungsverfahrens, des Hohlrades und der Vorrichtung.
Weitere Ausführungsformen und Vorteile gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und den Figuren hervor.
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 Details einer Vorrichtung zur Herstellung von Hohlrädern, in einem
durch die Längsachse verlaufenden Schnitt;
Fig. 2a eine Veranschaulichung des Verfahrens vor einem ersten
Prägewerkzeugeingriff in das Werkstück, in einem Schnitt senkrecht zur Längsachse;
Fig. 2b eine Veranschaulichung des Verfahrens während eines
Prägewerkzeugeingriffs bei Fertigstellung eines Hohlrades, in einem Schnitt senkrecht zur Längsachse;
Fig. 3a ein Werkstück mit zwei auf die Längsachse zu gerichteten
Stabilisierungsabschnitten, in einem durch die Längsachse verlaufenden Schnitt;
Fig. 3b ein Werkstück mit einem auf die Längsachse zu gerichteten
Stabilisierungsabschnitt und einem von der Längsachse weg gerichteten Stabilisierungsabschnitt, in einem durch die Längsachse verlaufenden Schnitt;
Fig. 3c ein Detail eines Werkstücks mit einem auf die Längsachse zu gerichteten
Stabilisierungsabschnitt und einem von der Längsachse weg gerichteten Stabilisierungsabschnitt, in einem durch die Längsachse verlaufenden Schnitt;
Fig. 3d ein Detail eines Hohlrades mit einem auf die Längsachse zu gerichteten
Stabilisierungsabschnitt und einem von der Längsachse weg gerichteten Stabilisierungsabschnitt, in einem durch die Längsachse verlaufenden Schnitt;
Fig. 4 ein Detail eines Hohlrades zur Veranschaulichung einer äusseren
Restverzahnung, in einem durch die Längsachse verlaufenden Schnitt;
Fig. 5 ein Detail eines Hohlrades mit einem von der Längsachse weg
gerichteten Stabilisierungsabschnitt zur Veranschaulichung einer innenliegenden Restverzahnung mit Wulst, in einem durch die
Längsachse verlaufenden Schnitt durch einen Zahnfuss der Innenverzahnung;
Fig. 6 ein Detail eines Hohlrades mit einem von der Längsachse weg
gerichteten Stabilisierungsabschnitt zur Veranschaulichung einer innenliegenden Restverzahnung, in einem durch die Längsachse verlaufenden Schnitt durch einen Zahnkopf der Innenverzahnung;
Fig. 7a ein Detail eines Prägewerkzeuges, in einem Schnitt senkrecht zum
Verlauf des Werkzeugkopfes;
Fig. 7b ein Detail des Prägewerkzeuges aus Fig. 7a in einem Schnitt parallel zum
Verlauf des Werkzeugkopfes entlang der gestrichelten Linie aus Fig. 7 durch die Werkzeugflanken;
Fig. 8a eine Veranschaulichung einer Geradverzahnung;
Fig. 8b eine Veranschaulichung einer Schrägverzahnung;
Fig. 8c eine Veranschaulichung einer Pfeilverzahnung;
Fig. 9 eine Veranschaulichung eines Planetengetriebes; Fig. 10 ein Hohlradbauteil aufweisend ein Hohlrad und einen damit
formschlüssig verbundenen Körper, in einen Schnitt senkrecht zur Längsachse.
Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen beispielhaft für den
Erfmdungsgegenstand oder dienen seiner Erläuterung und haben keine beschränkende Wirkung. Die meisten der folgenden Ausführungen beziehen sich der Einfachheit halber implizit oder explizit auf Geradverzahnungen, sind aber auf andere Verzahnungstypen übertragbar.
Fig. 1 zeigt Details einer Vorrichtung zur Herstellung von Hohlrädem, in einer stark schematisierten Schnittdarstellung. Ein Werkstück 1 ist dünnwandig und kann mittels der Vorrichtung mit einer Innenverzahnung und einer Aussenverzahnung versehen werden, wobei die Innenverzahnung eine Laufradverzahnung ist, beispielsweise eine Evolventenverzahnung.
Das Werkstück 1 hat eine Längsachse Z und einen rohrförmigen Abschnitt 3, der zylindrisch ist und koaxial zu der Längsachse Z ausgerichtet ist, und in den mittels eines Prägewerkzeuges 2 die beiden genannten Verzahnungen eingebracht werden.
Der in Fig. 1 dargestellte Schnitt verläuft durch die Längsachse Z.
Die Vorrichtung weist weiter eine Matrize 5 auf, die eine innenliegende
Matrizenverzahnung 5z sowie eine rohrförmige Öffnung 5o zur Aufnahme des
Werkstücks 1 aufweist. Die Matrize 5 ist in einem Matrizenhalter 15 gehaltert, der zu Rotationen um eine Drehachse antreibbar ist, beispielsweise mittels eines angetribenen Spindel Stocks 8.
Mittels eines Werkzeughalters 12 ist das Prägewerkzeug 2 gehaltert, durch den ein
Werkstück 1 periodisch bearbeitet werden kann. Dazu führt der Werkzeughalter 12 eine oszillierende Bewegung in radialer Richtung durch (versinnbildlicht durch den kleinen Doppelpfeil in Fig. 2). Richtungen, die senkrecht zu der Längsachse Z verlaufen, werden als radial bezeichnet.
Mittels einer Ladevorrichtung 16 wird das Werkstück 1 in die rohrförmige Öffnung 5o der Matrize 5 eingeführt, wie durch die offenen Pfeile symbolisiert in axialer Richtung. Mittels einer Haltevorrichtung 18, die teilweise mit der Ladevorrichtung 16 identisch sein kann, wird das Werkstück 1 dann in einer fixen Position relativ zur Matrize 5 gehalten, typischerweise vor und während der Werkstück- und Matrizen-Rotation, beispielsweise durch Gegeneinanderpressen der beiden Teile in axialer Richtung.
Während der Bearbeitung des Werkstücks 1 durch das Prägewerkzeug 2 sind die Matrize 5 (und insbesondere ihre Matrizenverzahnung 5z), das Werkstück 1 (und insbesondere dessen rohrförmiger Abschnitt 3 und seine Längsachse Z) und die Drehachse des Matrizenhalters 15 koaxial zueinander ausgerichtet. Und das
Werkstück 1 dreht sich mit dem Matrizenhalter 15 mit, beispielsweise, indem die Haltevorrichtung 18 drehbar gelagert ist. Weil also während der Bearbeitung die Längsachse Z des Werkstücks 1 mit der Rotationsachse des drehbaren Matrizenhalters 15 zusammenfällt, werden der
Einfachheit halber die entsprechenden Achsen im weiteren beide als Längsachse Z oder als als Achse Z bezeichnet.
Der Matrizenhalter 15 muss nicht direkt zu seiner Rotation antreibbar sein.
Beispielsweise kann auch die Haltevorrichtung 18 (beispielsweise direkt) zur Rotation angetrieben sein, und der Matrizenhalter 15 ist drehbar gelagert und dreht sich, einschliesslich Matrize 5 und Werkstück 1 mit der Haltevorrichtung 18 mit.
Die genannte Rotation findet mit zeitlich variierender Rotationsgeschwindigkeit statt, synchronisiert mit der radial oszillierenden Bewegung des Prägewerkzeugs 2.
Zur Erzeugung der radial oszillierenden Bewegung des Prägewerkzeugs 2 kann der Werkzeughalter 12 wie dargestellt einen Schaft aufweisen, der zu einer oszillierenden Bewegung angetrieben ist. Das Prägewerkzeug 2 kommt auf diese Weise wiederholt, im allgemeinen periodisch, in Eingriff mit dem Werkstück. Das Werkstück 1 seinerseits wird um die Achse Z mit variierender Rotationsgeschwindigkeit gedreht, insbesondere intermittierend gedreht (versinnbildlicht durch den gestrichelten Kreispfeil in Fig. 1). Die oszillierende Bewegung des Werkzeughalters 12, die einer oszillierenden
Bewegung des Prägewerkzeugs 2 entspricht, ist mit der Rotation des Werkstückes 1 so synchronisiert, dass in Phasen minimaler Werkstückrotationsgeschwindigkeit (im Falle einer intermittierenden Werkstückrotation: in Phasen des Stillstandes der
intermittierenden Rotation des Werkstückes) das Prägewerkzeug 2 mit dem Werkstück 1 in Eingriff kommt. Im Falle einer intermittierenden Werkstückrotation kann das Werkstück 1 weiterrotiert werden (typischerweise um eine Teilung), sobald der Werkzeughalter 12 weit genug (in radiale Richtung) verschoben ist, dass kein
Prägewerkzeug während der Werkstückrotation mit dem Werkstück 1 in Kontakt kommt. Bei einer nicht-intermittierenden Werkstückrotation ist das
Geschwindigkeitsprofd (zeitliche Variation der Rotationsgeschwindigkeit) entsprechend zu wählen.
Danach - also im Falle intermittierender Rotation innerhalb der nächsten
Stillstandsphase - greift das Prägewerkzeug 2 wieder in das Werkstück 1 ein, zur Weiterbildung der nächsten Zahnlücke der zur erzeugenden Verzahnungen usw. Die Verzahnungen werden somit durch ein Nacheinanderausführen einer Vielzahl von Prägesschritten kaltumformend erzeugt.
Die bei der prägenden Umformung durch das Prägewerkzeug 2 auf das dünnwandige Werkstück 1 wirkenden Kräfte sind so gross, dass ohne weitere Vorkehrungen unerwünschte Deformationen des rohrförmigen Abschnitts 3 auftreten können. Statt seinen grundsätzlich kreisförmigen Querschnitt zu behalten, kann sich ein ovaler oder elliptischer Querschnitt des rohrförmigen Abschnitts 3 ausbilden und zu mangelnder Genauigkeit der Verzahnungen führen, was sehr unerwünscht ist. Auch kann sich eine unerwünschte Konizität des rohrförmigen Abschnitts 3 ausbilden, so dass sich dessen Durchmesser in einer Richtung entlang der Längsachse zunehmend wäre.
Darum weist da Werkstück (während seiner Bearbeitung) mindestens einen
Stabilisierungsabschnitt auf. Im Beispiel aus Fig. 1 hat das Werkstück 1 einen nach innen (auf die Längsachse zu) gerichteten Stabilisierungsabschnitt 4 und einen nach aussen (von der Längsachse weg) gerichteten Stabilisierungsabschnitt 4‘, die beide jeweils an ein Ende des rohrförmigen Abschnitts 3 anschliessend sind. Die
Stabilisierungsabschnitte 4, 4‘ bilden Krägen des Werkstücks 1 und sind mit dem rohrförmigen Abschnitt 3 einstückig ausgebildet.
Durch ihre Ausdehnung in radiale Richtung bewirken die Stabilisierungsabschnitte 4, 4‘ eine Formstabilisierung, so dass die genannten Deformationen verhindert oder zumindest auf ein akzeptables Mass reduziert werden können.
Zur gleichzeitigen Erstellung der Innen- und der Aussenzverzahnung in dem
rohrförmigen Abschnitt 3 wird das dünnwandige Werkstück 1 mittels des
Prägewerkzeugs in der beschriebenen Weise in die Matrizenverzahnung 5z der
Matrize 5 eingeformt. Dies wird anhand der Figuren 2a, 2b veranschaulicht.
Fig. 2a ist eine schematische Veranschaulichung des Verfahrens vor einem ersten Prägewerkzeugeingriff in das Werkstück 1, in einem Schnitt senkrecht zur Längsachse; und Fig. 2b ist eine schematische Veranschaulichung des Verfahrens während eines Prägewerkzeugeingriffs bei Fertigstellung des Hohlrades la, in dem gleichen Schnitt.
Vor dem ersten Prägewerkzeugeingriff (Fig. 2a) befindet sich das noch unverzahnte Werkstück 1 in der Öffnung 5o der Matrize 5. Ein Zahnkopf 5a, ein Zahnfuss 5b und eine Zahnflanke 5f der innenliegenden Matrizenverzahnung sind in Fig. 2a
gekennzeichnet. Viele hämmernde Eingriffe des Prägewerkzeugs 2 an jeder der
Umfangspositionen, an denen die Zahnlücken der Matrizenverzahnung sind, später sind die Innen- und die Aussenverzahnung fertiggestellt. Fig. 2b zeigt das Werkstück, das nun ein verzahntes Hohlrad la ist, während eines letzten umformenden Eingriffs des Prägewerkzeugs 2.
Die dicke gestrichelte Linie in Figs. 2a, 2b kennzeichnet eine radiale Richtung, entlang welcher die periodische Linearbewegung des Prägewerkzeuges 2 zum Umformen des Werkstücks verläuft. Die dünnen gestrichelten Linien in Fig. 2b kennzeichnen den Fusskreisdurchmesser bzw. den Kopfkreisdurchmesser der Innenverzahnung. Der offene Pfeil in Fig. 2b kennzeichnet die Yerzahnungstiefe t6 der Innenverzahnung. In dem
Ausführungsbeispiel von Figs. 2a, 2b beträgt die Material stärke D des unverzahnten rohrförmigen Abschnitts 3 (Fig. 2a) etwa 0.4 mal die Verzahnungstiefe t6 der
Innen Verzahnung .
Das Prägewerkzeug 2 weist einen Wirkbereich 2w auf, der einen Werkzeugkopf 2k und zwei Werkzeugflanken 2f aufweist. Der Wirkbereich 2w weist eine Form auf, die ein Negativ einer Form einer Zahnlücke der zu erzeugenden Innenverzahnung ist (Fig. 2b). Weiter weist das Prägewerkzeug 2 zwei Kalibrierbereiche 2x auf, durch welche die Zahnköpfe 6a (Fig. 2b) der Innenverzahnung geformt werden, zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass die Form eines Abschnittes eines Kalibrierbereichs 2x ein Negativ der Form eines Abschnittes eines Zahnkopfes 6a der Innenverzahnung ist.
Die Werkzeugflanken 2f haben die Form eines Negativs einer Flanke 6f der
Innenverzahnung, und der Werkzeugkopf 2k hat die Form eines Negativs eines Zahnfusses 6b der Innenverzahnung (Fig. 2b).
Während die Form der Innenverzahnung im wesentlichen durch die Form des
Prägewerkzeugs 2 bestimmt wird, wird die Form der Aussenverzahnung im
wesentlichen durch die Form der Matrizenverzahnung bestimmt.
Die Form eines Zahnkopfes 5a der Matrizenverzahnung entspricht einem Negativ der Form eines Zahnfusses 7b der zu erzeugenden Aussenverzahnung. Und die Form der Zahnflanken 5f der Matrizenverzahnung entspricht einem Negativ der Form von Zahnflanken 7f der Aussenverzahnung. Allerdings ist die Form des Zahnkopfes 7a der Aussenverzahnung durch freien Materialfluss bestimmt. Zwischen den Zahnköpfen 7a der Aussenverzahnung und den jeweiligen Zahnfüssen 5b der Matrizenverzahnung verbleibt ein Abstand. Von den Zahnflanken 5f der Matrizenverzahnung ist es nur ein Abschnitt, der mit dem Werkstück in Kontakt kommt und somit die Form der
Flanken 7f der Aussenverzahnung bestimmt. Ein hämmerndes Einformen des zunächst unverzahnten rohrförmigen Abschnitts 3 in die Matrizenverzahnung findet an solchen über den Eimfang des rohrförmigen
Abschnitts 3 verteilten Stellen statt, an denen sich Zahnlücken der Matrizenverzahnung befinden, also dort, wo die Zähne der Aussenverzahnung und Zahnlücken der
Innenverzahnung zu liegen kommen (entstehen). Beispielsweise kann das Werkstück 1 durch das Prägewerkzeug 2 zunächst in jeder Zahnlücke der Matrizenverzahnung 5z einmal bearbeitet werden (also genau einen radial hämmernden Schlag aufnehmen und dadurch umgeformt werden), bevor es bei einer der Zahnlücken der
Matrizenverzahnung 5z ein weiteres mal bearbeitet wird.
Es findet ein Erzeugen der Innnenverzahnung bei gleichzeitigem Erzeugen der
Aussenverzahnung statt.
Die Anzahl Zähne und die Anzahl Zahnlücken ist identisch für die Innenverzahnung und für die Aussenverzahnung und für die Matrizenverzahnung. Und die Zahnfüsse 6b der Innenverzahnung befinden sich an den gleichen Positionen entlang des Umfangs des rohrförmigen Abschnitts wie die Zahnköpfe 7a der Aussenverzahnung. Und
entsprechend befinden sich die Zahnköpfe 6a der Innenverzahnung an den gleichen Positionen entlang des Umfangs des rohrförmigen Abschnitts 3 wie die Zahnfüsse 7b der Aussenverzahnung.
Es ist auch möglich, ein zweites Prägewerkzeug einzusetzen. Dieses kann, zumindest bezüglich des Wirkbereichs und des Kalibrierbereichs, dieselbe Form aufweisen wie das andere Prägewerkzeug.
Zwischen den einzelnen hämmernden Bearbeitungsschritten wird das Prägewerkzeug jeweils wieder vom Werkstück radial beabstandet.
Im Gegensatz zu manchen, als„Abwälzen“ bezeichneten Verfahren zur Profilierung von Werkstücken findet in dem hier beschriebenen Verfahren kein Wälzen des
Prägewerkzeuges am Werkstück statt. Und das Werkzeug ist auch nicht dauerhaft mit dem Werkstück in Kontakt, sondern immer nur kurzzeitig mit einer anschliessenden Phase, in der kein Kontakt und keine Umformung stattfindet. Und das Werkzeug hat nicht eine Vielzahl von über seinen Umfang verteilten Zähnen, sondern, wie dargestellt, nur einen zahnartigen Wirkbereich oder allenfalls zwei (nicht dargestellt).
Fig. 3a zeigt ein Werkstück 1 mit zwei auf die Längsachse Z zu gerichteten
Stabilisierungsabschnitten 4, 4‘, in einem durch die Längsachse Z verlaufenden Schnitt. Die Stabilisierungsabschnitte 4, 4‘ bilden jeweils einen Kragen, was auch bei den weiteren Ausführungsformen der Fall ist. Die im folgenden beschriebenen
Eigenschaften können auch dem entsprechenden Kragen zugeschrieben werden.
Fig. 3b zeigt ein Werkstück 1 mit einem auf die Längsachse zu gerichteten
Stabilisierungsabschnitt 4‘ und einem von der Längsachse weg gerichteten
Stabilisierungsabschnitt 4, in einem durch die Längsachse Z verlaufenden Schnitt.
Die in Figs. 3a, 3b gezeigten Stabilisierungsabschnitte bilden jeweils kreisringförmige Stirnflächen 4f des Werkstücks 1. Ein Öffnungswinkel der Stirnflächen 4f muss allerdings nicht 90° betragen, wie in Figs. 1 und 3a und 3b. Allerdings ist bei 90° eine hohe Formstabilität bei sehr geringen Aussmassen entlang der Längsachse Z erreichbar. Fig. 3c zeigt ein Detail eines weiteren rotationssymetrischen Werkstücks 1 mit einem auf die Längsachse Z zu gerichteten Stabilisierungsabschnitt 4‘ und einem von der Längsachse Z weg gerichteten Stabilisierungsabschnitt 4, in einem durch die
Längsachse Z verlaufenden Schnitt, wobei dieser einen Öffnungswinkel von etwa 45° aufweist. Dort vergrössert sich der Durchmesser des Werkstücks 1 mit zunehmendem Abstand vom rohrförmigen Abschnitt 3. Die Stirnfläche 4f, die
Stabilisierungsabschnitt 4 bildet, ist eine rotationssymmetrische
Kegel stumpfmantelform .
In den dargestellten Schnitten, die die Längsachse Z enthalten muss ein
Stabilisierungsabschnitt aber keine gerade Linie zeigen; es sind auch andere Formen möglich. Fig. 3d zeigt ein Beispiel
Fig. 3d zeigt ein Detail eines Werkstücks 1, das bereits zu einem verzahnten Hohlrad la umgeformt ist, mit einem auf die Längsachse Z zu gerichteten
Stabilisierungsabschnitt 4‘ und einem von der Längsachse weg gerichteten Stabilisierungsabschnitt 4, in einem durch die Längsachse Z verlaufenden Schnitt. Der Stabilisierungsabschnitt 4 hat die Form eines Trichters mit gebogener, konischer Wandung.
Unabhängig von der Form der Stabiliiserungsab schnitte 4, 4‘ sind in Fig. 3d ein Zahnkopf 7a der Aussenverzahnung und ein Zahnkopf 6a der Innenverzahnung angedeutet (auch wenn diese nicht genau in derselben Schnittebene liegen). Die verzahnte Länge ist zu erkennen; diese muss sich nicht über die Gesamtlänge des rohrförmigen Abschnitts 3 erstrecken.
Fig. 3d illustriert auch, dass ein Maximalabstand d4, den ein Teil des
Stabilisierungsabschnitts 4 von der Längsachse Z hat, was bei der hier angenommenen Rotationssymmetrie der Hälfte eines Aussendurchmessers des
Stabilisierungsabschnitts 4 entspricht, grösser ist, als die Hälfte k7 des
Kopfkreisdurchmesser der Aussenverzahnung.
Und Fig. 3d illustriert auch, dass ein Minimalabstand d4‘, den ein Teil des
Stabilisierungsabschnitts 4‘ von der Längsachse Z hat, was bei der hier angenommenen Rotationssymmetrie der Hälfte eines Innendurchmessers des
Stabilisierungsabschnitts 4‘ entspricht, kleiner ist als ein minimaler Abstand k6, den ein Zahnkopf 6a der Innenverzahnung von der Längsachse Z hat, also kleiner ist, als die Hälfte k6 des Kopfkreisdurchmesser der Innenverzahnung. Die typischerweise ein oder zwei Stabilisierungsabschnitte sind im allgemeinen unverzahnt (verzahnungsfrei); zumindest sind sie frei von der zu erzeugenden
Innenverzahnung und frei von der zu erzeugenden Aussenzverzahnung.
Fig. 4 zeigt ein Detail eines Hohlrades la zur Veranschaulichung einer äusseren Restverzahnung 45a, in einem durch die Längsachse Z verlaufenden Schnitt durch einen Zahnkopf 7a der Aussenverzahnung. Eine solche äussere Restverzahnung 45a bildet sich aufgrund des gewählten kaltumformenden Herstellungsverfahrens, begründet durch den freien Materialfluss nicht nur in radialer sondern auch in axialer Richtung innerhalb von Zahnlücken der Matrizenverzahnung. In diesem Ausführungsbeispiel, bei dem im übrigen der Stabilisierungsabschnitt 4 auch nach innen statt nach aussen gerichtet sein könnte, gibt es einen Übergangsbereich 45 zwischen dem rohrförmigen Abschnitt 3 und dem Stabilisierungsabschnitt 4. In dem Übergangsbereich gibt es eine an die Aussenverzahnung anschliessende äussere Restverzahnung mit Zahnköpfen 45a, in welcher die Yerzahnungstiefe der
Restverzahnung langsam abnimmt, nämlich von der Yerzahnungstiefe t7 der
Aussenverzahnung auf null. Ein Winkel der Abnahme der Verzahnungstiefe kann beispielsweise wie weiter oben beschrieben definiert werden: Die Punkte, an denen die Restverzahnung eine Verzahnungstiefe von 90% der Verzahnungstiefe t7 der
Aussenverzahnung hat bzw. nur noch 10% der Verzahnungstiefe t7 der
Aussenverzahnung hat, sind in Fig. 4 dort, wo die gepunkteten Linien rechtwinklig die Richtung ändern. Die dicke gestrichelte Linie bildet mit der Längsachse Z denselben Winkel wie eine Gerade durch die beiden genannten Punkte, ist aber der
Übersichtlichkeit halber nicht dort gezeichnet. Der Winkel beträgt in Fig. 4 etwa 20°. In Fig. 4 ist unabhängig davon auch noch dargestellt, dass der Übergangsbereich 45, der im übrigen einen Bereich beschreibt, der entlang der Längsachse Z erstreckt ist, einen unverzahnten Abschnitt aufweisen kann und/oder einen nicht mit dem Prägewerkzeug 2 bearbeiteten Bereich aufweisen kann.
Wie weiter oben schon erwähnt, bilden sich weitere für das Herstellungverfahren charakteristische Strukturen auch dort in einem Übergangsbereich 45 aus, wo nahe einem Stabilisierungsabschnitt eine innenliegende Restverzahnung erzeugt wird, zum Beispiel weil für das Erzeugen der Innen- und der Aussenverzahnung ein
Prägewerkzeug verwendet wird, das länger ist als die Länge der Innenverzahnung.
Figs. 5 und 6 zeigen entsprechende Beispiele.
Fig. 5 zeigt ein Detail eines Werkstücks 1, das bereits zum verzahnten Hohlrad la umgeformt ist, mit einem von der Längsachse Z weg gerichteten
Stabilisierungsabschnitt 4 zur Veranschaulichung einer innenliegenden Restverzahnung mit Wulst 45w, in einem durch die Längsachse Z verlaufenden Schnitt durch einen Zahnfuss 6b der Innenverzahnung. Der Schnitt verläuft somit auch durch einen Zahnfuss 45b der innenliegenden Restverzahnung. Pro Zahnfuss 6b der Innenverzahnung bildet sich ein Wulst 45w. Diese kann wie in Fig. 5 illustriert, axial vorstehen.
Fig. 6 zeigt ein Detail eines Werkstücks 1, das bereits zum verzahnten Hohlrad la umgeformt ist, mit einem von der Längsachse Z weg gerichteten
Stabilisierungsabschnitt 4 zur Veranschaulichung einer innenliegenden Restverzahnung, in einem durch die Längsachse Z verlaufenden Schnitt durch einen Zahnkopf 6a der Innenverzahnung. Der Schnitt verläuft somit auch durch einen Zahnkopf 45i der innenliegenden Restverzahnung. Wie in Fig. 6 ersichtlich ist, weist die innenliegende Restverzahnung einen Kopfkreisdurchmesser auf, der kleiner ist als ein
Kopfkreisdurchmesser der Innenverzahnung. Insbesondere ist der kleinste
Kopfkreisdurchmesser der Restverzahnung kleiner als der Kopfkreisdurchmesser der Innenverzahnung. Der halbe minimale Kopfkreisdurchmesser der innenliegenden Restverzahnung ist in Fig. 6 als k45 angeschrieben, und der halbe
Kopfkreisdurchmesser der Innenverzahnung ist als k6 angeschrieben.
Weil die beschriebenen Hohlräder dünnwandig sind, können diese unter Belastung eher zu elastischen Verformungen neigen. Für ein gutes Laufverhalten kann es darum zuträglich sein, eine Längsballigkeit der Innenverzahnung vorzusehen. Kantenträger sind auf diese Weise vermeidbar. Dies kann erreicht werden durch eine entsprechende Ausbildung des Prägewerkzeugs 2.
Fig. 7a zeigt ein Detail eines Prägewerkzeuges 2, in einem Schnitt senkrecht zum Verlauf des Werkzeugkopfes 2k, also in der gleichen Weise wie in Figs. 2a, 2b.
Fig. 7b zeigt ein Detail des Prägewerkzeuges 2 aus Fig. 7a, aber in einem Schnitt parallel zum Verlauf des Werkzeugkopfes 2k, entlang der gestrichelten Linie aus Fig. 7a durch die Werkzeugflanken 2f. In Fig. 7b ist eine Konkavität des Prägewerkzeugs 2 zu erkennen, mittels der die Längsballigkeit erzeugt werden kann. Diese ist in Fig. 7b allerdings übertrieben gross dargestellt. Die Werkzeugflanken 2f sind durch ihre Konkavität zur Ausbildung der Längsballigkeit der Innenverzahnung ausgebildet. Figs. 8a bis 8c veranschaulichen ein Geradverzahnung, eine Schrägverzahnung bzw. eine Pfeilverzahnung. All diese und noch weitere Verzahnungen lassen sich mittels des beschriebenen Verfahrens herstellen. Die breiten schwarzen Linien geben die Lage der Zahnköpfe 6a der Innenverzahnung wieder. Die eingezeichnete gestrichelte Linie entspricht einer Achse Z‘ an, die parallel zur Längsachse Z verläuft. Die Darstellung kann so verstanden werden, dass sie gedanklich gewonnen werden kann, indem das Hohlrad aufgeschnitten wird und dann mit nach unten zeigender Aussenverzahnung auf eine Ebene gedrückt (flachgedrückt) wird.
In Fig. 8b bezeichnet ß den Schrägungswinkel der Schrägverzahnung.
Fig. 9 zeigt eine Veranschaulichung eines Planetengetriebes 20 mit einem
Sonnenrad 22, drei Planetenrädern 24 und einem Hohlrad la der hier beschriebenen Art. Die entsprechenden Aussenverzahnungen der Räder 22, 24, la sind durch die dicken Linien veranschaulicht. Die dünn gezeichnete Kreislinie aussen illustriert die
Aussenverzahnung 7 des Hohlrades la. Stabilisierungsabschnitte sind in Fig. 9 nicht dargestellt.
Fig. 10 veranschaulicht ein Hohlradbauteil 10, aufweisend ein Hohlrad la, das in Fig. 10 übertrieben dünnwandig und ohne Stabilisierungsabschnitt dargestellt ist, und einen damit formschlüssig verbundenen Körper 11, in einen Schnitt senkrecht zur Längsachse Z. Zum Beispiel kann der Körper 11 aus einem Kunststoff sein. Der Körper 11 kann beispielsweise an das Hohlrad la, genauer: an dessen
Aussenverzahnung, angegossen sein.
In der beschriebenen Weise können neuartige, insbesondere leichtbaugeeignete
Hohlräder, Bauteile und Getriebe geschaffen werden. Die entsprechenden
innenliegenden Zylinderverzahnungen können wirtschaftlich und mit grosser Präzision erzeugt werden. Der mindestens eine Kragen, sei er nach innen oder nach aussen gerichtet, ermöglicht eine Formstabilität während der Fertigung, die für hochgenaue Verzahnungen notwendig ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlrades, das eine Innenverzahnung und eine Aussenverzahnung aufweist, wobei die Innenverzahnung eine Laufradverzahnung ist, wobei ein Werkstück durch mindestens ein Prägewerkzeug bearbeitet wird, wobei das Werkstück einen rohrförmigen Abschnitt mit einer Längsachse aufweist sowie mindestens einen mit dem röhrförmigen Abschnitt verbundenen ersten
Stabilisierungsabschnitt zur Formstabilisierung des rohrförmigen Abschnitts während der Bearbeitung durch das mindestens eine Prägewerkzeug, wobei eine Matrize bereitgestellt wird, die zur Aufnahme des rohrförmigen Abschnitts eine röhrförmige Öffnung aufweist, in welcher eine innenliegende Matrizenverzahnung ausgebildet ist, und der rohrförmige Abschnitt in die röhrförmige Öffnung eingebracht wird und anschliessend das Werkstück durch das mindestens eine Prägewerkzeug zur gleichzeitigen Erzeugung der Innenverzahnung und der Aussenverzahnung an der Innenseite des in die röhrförmige Öffnung eingebrachten rohrförmigen Abschnittes bearbeitet wird, indem das Werkstück eine Rotationsbewegung mit zeitlich variierender Rotationsgeschwindigkeit um die genannte Längsachse durchführt und das mindestens eine Prägewerkzeug radial oszillierende Bewegungen durchführt, die mit der genannten Rotationsbewegung synchronisiert sind, so dass das mindestens eine Prägewerkzeug den rohrförmigen Abschnitt zum Erzeugen der Aussenverzahnung bei gleichzeitigem Erzeugen der Innenverzahnung durch wiederholtes hämmerndes Bearbeiten des rohrförmigen Abschnitts in die Matrizenverzahnung einformt, wobei der Begriff radial Ausrichtungen senkrecht zu der Längsachse kennzeichnet.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, wobei vor dem Einbringen des rohrförmigen
Abschnitts in die röhrförmige Öffnung eine Material stärke des Werkstücks in dem rohrförmigen Abschnitt weniger als das Doppelte, insbesondere weniger als das 1.5- fache einer Verzahnungstiefe der Innenverzahnung beträgt.
3. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das mindestens eine Prägewerkzeug einen Wirkbereich aufweist, der einen Werkzeugkopf und zwei daran angrenzende Werkzeugflanken aufweist, insbesondere wobei der Wirkbereich eine Form aufweist, die ein Negativ einer Form einer Zahnlücke der Innenverzahnung ist.
4. Verfahren gemäss Anspruch 3, wobei die Werkzeugflanken derart geformt sind, dass die Innenverzahnung eine Längsballigkeit aufweist.
5. Verfahren gemäss Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei das mindestens eine Prägewerkzeug zwei jeweils an eine der zwei Werkzeugflanken angrenzende
Kalibrierbereiche aufweist, deren Form jeweils ein Negativ einer Form eines
Abschnittes eines Zahnkopfes der Innenverzahnung ist.
6. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste
Stabilisierungsabschnitt einen mit dem röhrförmigen Abschnitt zusammen einstückig ausgebildeten nicht- verzahnten Kragen des Hohlrades bildet, der auf die Längsachse zu oder von der Längsachse weg gerichtet ist.
7. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei
— der erste Stabilisierungsabschnitt einen maximalen Abstand von der Längsachse aufweist, der um mindestens das 0.25-fache einer Verzahnungstiefe der
Innenverzahnung grösser ist als ein maximaler Abstand, den der rohrförmige Abschnitt von der Längsachse hat, insbesondere wobei der erste
Stabilisierungsabschnitt einen Aussendurchmesser hat, der um mindestens das
0.5-fache einer Verzahnungstiefe der Innenverzahnung grösser ist als ein
Aussendurchmesser des rohrförmigen Abschnitts; oder
— der erste Stabilisierungsabschnitt einen minimalen Abstand von der Längsachse hat, der um mindestens das 0.25-fache einer Verzahnungstiefe der Innenverzahnung geringer ist als ein minimaler Abstand, den der rohrförmige Abschnitt von der Längsachse hat, insbesondere wobei der erste Stabilisierungsabschnitt einen
Innendurchmesser hat, der um mindestens das 0.5-fache einer Verzahnungstiefe der Innenverzahnung geringer als der Innendurchmesser des rohrförmigen Abschnitts.
8. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste
Stabilisierungsabschnitt eine umlaufende, gegenüber dem rohrförmigen Abschnitt gewinkelte Stirnfläche des Hohlrades bildet, insbesondere wobei der erste
Stabilisierungsabschnitt eine Kreisringform oder eine rotationssymmetrische
Kegel stumpfmantelform beschreibt.
9. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Werkstück einen zweiten Stabilisierungsabschnitt aufweist, und wobei mindestens einer der zwei Stabilisierungsabschnitte auf die Längsachse zu gerichtet ist, und insbesondere wobei ein minimaler Abstand, den dieser von der Längsachse hat, geringer ist als ein minimaler Abstand, den ein Zahnkopf der Innenverzahnung von der Längsachse hat.
10. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Innenverzahnung als eine Hochverzahnung ausgebildet ist mit einer Verzahnungstiefe von mehr als dem 2.0-fachen eines Normalmoduls der Innenverzahnung, insbesondere mit einer
Verzahnungstiefe von mindestens dem 2.4-fachen eines Normalmoduls der
Innen Verzahnung .
11. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Verzahnungstiefe der Aussenverzahnung kleiner ist als eine Verzahnungstiefe der Matrizenverzahnung und kleiner ist als eine Verzahnungstiefe der Innenverzahnung.
12. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Innenverzahnung eine Geradverzahnung oder eine Schrägverzahnung oder eine Pfeilverzahnung ist.
13. Verfahren zum Herstellen eines Planetengetriebes, umfassend, dass ein Hohlrad durch ein Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt wird, und weiter umfassend das Bereitstellen mindestens eines aussenverzahnten Zahnrades und ein Einbringen des Zahnrades in das Hohlrad.
14. Vorrichtung zur Herstellung von Hohlrädem, die eine Innenverzahnung und eine Aussenverzahnung aufweisen, wobei die Innenverzahnung eine Laufradverzahnung ist, aufweisend
— eine Matrize, die zur Aufnahme eines rohrförmigen Abschnitts eines
Werkstücks eine röhrförmige Öffnung aufweist, in welcher eine innenliegende Matrizenverzahnung ausgebildet ist;
— einen um eine Längsachse rotierbaren Matrizenhalter zur Halterung der Matrize, derart, dass ein rohrförmiger Abschnitt eines in die Matrize aufgenommenen
Werkstücks an seiner Innenseite bearbeitbar ist;
— einen Drehantrieb für die Rotation des Matrizenhalters, der ausgelegt ist zur Erzeugung einer Rotation mit zeitlich variierender Rotationsgeschwindigkeit, insbesondere zur Erzeugung einer intermittierenden Rotation; einen Werkzeughalter zum Halten mindestens eines Prägewerkzeuges, der zu einer senkrecht zu der Längsachse verlaufenden oszillierenden Bewegung antreibbar ist, so dass der rohrförmige Abschnitt an seiner Innenseite durch das mindestens eine Prägewerkzeug wiederholt, insbesondere periodisch bearbeitbar ist;
— eine Synchronisationsvorrichtung zur Synchronisation der mittels des
Drehantriebs erzeugbaren Rotation des Matrizenhalters mit der senkrecht zu der
Längsachse verlaufenden oszillierenden Bewegung des Werkzeughalters.
15. Vorrichtung gemäss Anspruch 14, aufweisend eine Ladevorrichtung zum Einfuhren eines rohrförmigen Abschnitts eines in die Matrize aufzunehmenden
Werkstücks in die röhrförmige Öffnung der Matrize, aufweisend einen weiteren Antrieb für eine parallel zu der Längsachse verlaufende Relativbewegung von Werkstück und Matrize.
16. Vorrichtung gemäss Anspruch 14 oder Anspruch 15, aufweisend eine
Haltevorrichtung zum Fixieren einer Position eines in die Matrize aufgenommenen
Werkstücks relativ zu der Matrize während der genannten Rotation des Matrizenhalters, insbesondere wobei mittels der Haltevorrichtung ein Anpressdruck erzeugbar ist, durch welchen Werkstück und Matrize in axialer Richtung aufeinander zu gepresst werden.
17. Verwendung einer Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 14 bis 16 zum gleichzeitigen Erstellen einer Innenverzahnung und einer Aussenverzahnung in einem rohrförmigen Abschnitt eines Werkstücks, wobei die Innenverzahnung eine
Laufradverzahnung ist.
18. Hohlrad, aufweisend
— einen rohrförmigen Abschnitt mit einer Längsachse, der eine Innenverzahnung und eine Aussenverzahnung aufweist, wobei die Innenverzahnung eine
Laufradverzahnung ist; — einen nicht-verzahnten ersten Stabilisierungsabschnitt, der mit dem röhrförmigen
Abschnitt zusammen einstückig ausgebildet ist und einen Kragen des Hohlrades bildet, der auf die Längsachse zu oder von der Längsachse weg gerichtet ist.
19. Hohlrad gemäss Anspruch 18, wobei der erste Stabilisierungsabschnitt eine Kreisringform oder eine rotationssymmetrische Kegel stumpfmantelform beschreibt.
20. Hohlrad gemäss Anspruch 18 oder Anspruch 19, wobei
— der Kragen auf die Längsachse zu gerichtet ist und einen Innendurchmesser
aufweist, der kleiner ist, insbesondere mindestens um das 0.3-fache einer
Verzahnungstiefe der Innenverzahnung kleiner ist, als ein Kopfkreisdurchmesser der Innenverzahnung;
oder
— der Kragen von der Längsachse weg gerichtet ist und einen Aussendurchmesser aufweist, der grösser ist, insbesondere um mindestens um das 0.3-fache einer Verzahnungstiefe der Innenverzahnung grösser ist, als ein Kopfkreisdurchmesser der Aussenverzahnung.
21. Hohlrad gemäss einem der Ansprüche 18 bis 20, aufweisend einen zweiten Stabilisierungsabschnitt, wobei dieser auf die Längsachse zu gerichtet ist, und insbesondere wobei ein minimaler Abstand, den dieser von der Längsachse hat, geringer ist als ein minimaler Abstand, den ein Zahnkopf der Innenverzahnung von der
Längsachse hat.
22. Hohlrad gemäss einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei der Kragen von der Längsachse weg gerichtet ist und in einem Übergangsbereich zwischen dem
rohrförmigen Abschnitt und dem ersten Stabilisierungsabschnitt eine an die
Innenverzahnung anschliessende innenliegende Restverzahnung ausgebildet ist, wobei
— ein Kopfkreisdurchmesser der innenliegenden Restverzahnung kleiner ist als ein Kopfkreisdurchmesser der Innenverzahnung;
und/oder
— an jedem Zahnfuss der innenliegenden Restverzahnung ein axial vorstehender Wulst ausgebildet ist.
23. Hohlrad gemäss einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei in einem
Übergangsbereich zwischen dem rohrförmigen Abschnitt und dem ersten
Stabilisierungsabschnitt eine an die Aussenverzahnung anschliessende äussere
Restverzahnung ausgebildet ist, wobei in dem Übergangsbereich eine Verzahnungstiefe der äusseren Restverzahnung von einer Verzahnungstiefe der Aussenverzahnung auf null stetig abnimmt, insbesondere wobei Zähne der äusseren Restverzahnung in dem Übergangsbereich eine abgerundete Schulter aufweisen.
24. Hohlrad gemäss einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei eine Differenz von Fusskreisdurchmesser der Aussenverzahnung und Kopfkreisdurchmesser der
Innenverzahnung weniger als das Doppelte, insbesondere weniger als das l.5-fache einer Verzahnungstiefe der Innenverzahnung beträgt.
25. Hohlradbauteil, aufweisend ein Hohlrad gemäss einem der Ansprüche 18 bis 24 sowie einen Körper, der dadurch gegenüber dem Hohlrad drehgesichert ist, dass er eine zu der Aussenverzahnung passende Innenprofilierung aufweist, insbesondere wobei der Körper formschlüssig mit der Aussenverzahnung verbunden ist.
26. Planetengetriebe, aufweisend ein Hohlrad gemäss einem der Ansprüche 18 bis 24, weiter aufweisend mindestens ein in das Hohlrad eingebrachtes
aussenverzahntes Zahnrad.
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