FR2763267A1 - Manufacture of gearing on vehicle gearbox hollow shaft - Google Patents
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Abstract
Description
PROCèDE DE FABRICATION D'ENGRENAGES
SUR UN ARBRE CREUX DE BOITE DE VITESSES
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'engrenages sur un arbre creux de boîte de vitesses.GEAR MANUFACTURING PROCESS
ON A HOLLOW GEARBOX
The present invention relates to a method of manufacturing gears on a hollow gearbox shaft.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la réalisation de boîtes de vitesses pour véhicules automobiles.The invention finds a particularly advantageous application in the field of the production of gearboxes for motor vehicles.
Les arbres de boites de vitesses sont des pièces massives, classiquement fabriquées à partir de barres rondes pleines en acier forgé. Les parties cylindriques sont tournées et rectifiées, les cannelures sont roulées et les pignons-engrenages taillés et rasés.The transmission shafts are massive parts, conventionally manufactured from solid round bars in forged steel. The cylindrical parts are turned and ground, the grooves are rolled and the pinions cut and shaved.
L'ensemble de la pièce usinée est ensuite durci par traitement thermique classique. Les déformations d'ossature sont reprises par redressage et rectification des portées, cannelures et parfois des dentures.The entire machined part is then hardened by conventional heat treatment. The framework deformations are taken up by straightening and rectifying the bearing surfaces, grooves and sometimes the teeth.
Les variantes pouvant être apportées à ce type d'arbres de boîtes de vitesses sont essentiellement obtenues par différentes géométries d'usinage des dentures.The variants that can be made to this type of gearbox shafts are essentially obtained by different geometries for machining the teeth.
Cependant, il existe des besoins d'évolution qui sont, notamment - l'allègement du produit par l'utilisation de forme tubulaire afin de réduire l'inertie en rotation des pièces massives et arriver à une lubrification par irrigation interne pour réduire la traînée - la régularité d'engrènement obtenue par la concentricité des dentures conférée par les précisions des procédés de formage, de traitement de durcissement.However, there are needs for evolution which are, in particular - the lightening of the product by the use of tubular form in order to reduce the inertia in rotation of the massive parts and to arrive at a lubrication by internal irrigation to reduce the drag - the regularity of meshing obtained by the concentricity of the teeth conferred by the details of the forming processes, of hardening treatment.
Le principe de conception d'arbres allégés tubulaires a été proposé dans la demande de brevet allemand DE29.14.657. Sur ce type d'arbres, les différentes sections sont obtenues par martelage, ainsi que le profil en denture par formage sur le diamètre maximum du tube. La fonction d'engrènement est donc assurée par le profil de denture intégré à la paroi du tube.The principle of design of light tubular shafts was proposed in the German patent application DE29.14.657. On this type of shaft, the different sections are obtained by hammering, as well as the profile in teeth by forming on the maximum diameter of the tube. The meshing function is therefore ensured by the toothing profile integrated into the wall of the tube.
Le principe de conception d'arbres tubulaires à emmanchement de pignons est décrit dans la demande internationale PCT/DE-85/00223. L'emmanchement s'effectue sur des sections polygonales en trigone obtenues par martelage. Cette configuration d'emmanchement offre une section de matière limitée à trois lobes vis-à-vis de la transmission de couple.The principle of design of tubular shafts with pinion fitting is described in international application PCT / DE-85/00223. The fitting is carried out on polygonal trine sections obtained by hammering. This fitting configuration offers a section of material limited to three lobes vis-à-vis the torque transmission.
I1 convient cependant de remarquer que, dans le cas d'un arbre tubulaire composé de pignons-engrenages assemblés, les techniques de formage, de traitement et d'assemblage présentent des possibilités réduites sur des géométries d'arbres massifs et, de ce fait, ne permettent pas d'obtenir simultanément la précision de concentricité d'engrènement inférieur à 5/100 mm et la transmission de couple supérieure à 15 mkgs, sans avoir recours après l'assemblage à des opérations coûteuses de reprise. It should however be noted that, in the case of a tubular shaft composed of assembled pinions-gears, the techniques of forming, processing and assembly present reduced possibilities on geometries of solid shafts and, therefore, do not simultaneously allow the accuracy of engagement concentricity of less than 5/100 mm and the torque transmission of more than 15 mkgs, without having to resort after costly recovery operations.
Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'engrenages sur un arbre creux de boite de vitesses, qui offrirait une nouvelle conception architecturale de la pièce afin que les techniques de formage, de traitement et d'assemblage puissent produire des pièces, à la fois plus précises et résistantes mécaniquement.Also, the technical problem to be solved by the object of the present invention is to propose a method of manufacturing gears on a hollow shaft of a gearbox, which would offer a new architectural design of the part so that the forming techniques, processing and assembly can produce parts that are both more precise and mechanically resistant.
La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit procédé comporte les étapes suivantes - réalisation d'un arbre creux présentant au moins un profil extérieur d'entraînement en denture pour un pignon-engrenage, - réalisation d'au moins un pignon-engrenage rondelle présentant un profil intérieur d'emmanchement en denture, sensiblement congruent dudit profil extérieur d'entraînement dudit arbre creux, - emmanchement dudit pignon-engrenage rondelle par mise en coopération du profil intérieur d'emmanchement du pignon-engrenage rondelle et du profil extérieur d'entraînement de l'arbre creux.The solution to the technical problem posed consists, according to the present invention, in that said method comprises the following stages - production of a hollow shaft having at least one external drive profile in teeth for a pinion-gear, - production of at least one washer pinion gear having an internal toothed fitting profile, substantially congruent with said external driving profile of said hollow shaft, - fitting of said washer pinion gear by cooperation of the internal fitting profile of the pinion gear washer and external hollow shaft drive profile.
Ainsi, la solution proposée par l'invention repose sur une conception architecturale séparant les fonctions et les fabrications entre l'arbre creux-support et les pignons-engrenages. Du fait des fabrications séparées, les techniques de formage et de traitement sur pièces de géométrie plus simple permettent d'obtenir une plus grande précision. L'assemblage intervient en final sur des profils de denture spécifiques assurant simultanément la précision de concentricité et la résistance mécanique de l'arbre fini.Thus, the solution proposed by the invention is based on an architectural design separating the functions and the manufacturing between the hollow shaft-support and the pinions-gears. Due to the separate manufacturing, the forming and processing techniques on parts of simpler geometry allow greater precision to be obtained. The assembly intervenes in the end on specific toothing profiles simultaneously ensuring the concentricity precision and the mechanical resistance of the finished shaft.
Comme on le verra en détail plus loin, la conception de pignons-engrenages rondelles permet de les fabriquer en configuration empilée par formage à froid, puis de les durcir par traitement superficiel au défilé, ensuite de les assembler par emmanchement sur des profils réalisés sur les pièces séparées, et enfin de bloquer, par conformage de ces profils lors de l'emmanchement.As will be seen in detail below, the design of washer pinions makes it possible to manufacture them in a stacked configuration by cold forming, then to harden them by surface treatment on the run, then to assemble them by fitting onto profiles made on the separate parts, and finally to block, by shaping these profiles during fitting.
En résumé, le procédé, objet de l'invention, repose sur la notion que les pignons-engrenages, de par leur conception en rondelles, peuvent être fabriqués par formage et traitement de précision, puis assemblés à l'état terminé sur un arbre creux tubulaire, lui-même à l'état terminé, suivant une configuration et un processus de fabrication assurant la précision et la résistance du produit fini.In summary, the process which is the subject of the invention is based on the notion that the pinions-gears, by their design in washers, can be manufactured by forming and precision treatment, then assembled in the finished state on a hollow shaft. tubular, itself in the finished state, following a configuration and a manufacturing process ensuring the precision and resistance of the finished product.
Le procédé de l'invention présente de nombreux avantages - au niveau du produit, l'arbre creux tubulaire permet d'alléger la mise en rotation, d'où montée en régime plus rapide du moteur et une accélération plus franche du véhicule. La précision dimensionnelle garantit une plus grande régularité d'engrènement et donc un silence de fonctionnement. Par ailleurs, les arbres tubulaires autorisent une lubrification par l'intérieur, ce qui permet de supprimer le barbotage occasionnant de la traînée.The method of the invention has many advantages - at the product level, the hollow tubular shaft makes it possible to lighten the rotation, hence the faster speed of the engine and a more frank acceleration of the vehicle. The dimensional precision guarantees greater regularity of engagement and therefore silent operation. In addition, the tubular shafts allow lubrication from the inside, which eliminates the bubbling causing drag.
- au niveau du procédé, les opérations de formage, traitement et assemblage de l'arbre creux et des pignons-engrenages s'intègrent en juste à temps dans les lignes d'usinage. De plus, la précision de ces opérations évite les opérations de reprise, toujours coûteuses. Enfin, l'assemblage en final permet une modularité de diversité du produit à partir d'un arbre creux standard et de variantes de pignons-engrenages en aval de la gamme de fabrication.- at the process level, the operations of forming, processing and assembling the hollow shaft and the pinions-gears are integrated in just in time in the machining lines. In addition, the precision of these operations avoids recovery operations, which are always expensive. Finally, the final assembly allows modularity of product diversity from a standard hollow shaft and variants of pinions-gears downstream of the manufacturing range.
La description qui va suivre au regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.The description which follows with regard to the appended drawings, given by way of nonlimiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be implemented.
La figure la est une demi-coupe d'un arbre creux mis en oeuvre dans le procédé de l'invention.Figure la is a half section of a hollow shaft used in the method of the invention.
La figure lb est une vue en coupe selon la ligne A-A de l'arbre creux de la figure la.Figure lb is a sectional view along line A-A of the hollow shaft of Figure la.
La figure 2a est une vue en perspective d'un poinçon rotatif de formage des dentures extérieures de pignonengrenage rondelle de la figure 2d. FIG. 2a is a perspective view of a rotary punch for forming the external teeth of the pinion washer washer of FIG. 2d.
La figure 2b est une vue en perspective d'un empilement d'ébauches de rondelles cylindriques pour la réalisation du pignon-engrenage rondelle de la figure 2d.FIG. 2b is a perspective view of a stack of blanks of cylindrical washers for producing the washer pinion gear of FIG. 2d.
La figure 2c est une vue en perspective d'une matrice filière de formage des dentures extérieures du pignonengrenage rondelle de la figure 2d.FIG. 2c is a perspective view of a die matrix for forming the external teeth of the pinion washer washer of FIG. 2d.
La figure 2d est une vue en perspective d'un pignonengrenage rondelle muni de dentures extérieures.FIG. 2d is a perspective view of a washer pinion gear provided with external teeth.
La figure 2e est une vue de côté d'un dispositif de traitement induction haute fréquence de l'empilement de la figure 2d.Figure 2e is a side view of a high frequency induction processing device for the stack of Figure 2d.
La figure 2f est une vue en perspective d'une broche de coupe pour la réalisation du profil intérieur d'emmanchement du pignon-engrenage rondelle de la figure 2d.FIG. 2f is a perspective view of a cutting spindle for producing the internal fitting profile of the pinion-gear washer of FIG. 2d.
La figure 2g est une vue en perspective du pignonengrenage rondelle de la figure 2d muni d'un profil intérieur d'emmanchement.Figure 2g is a perspective view of the washer pinion gear of Figure 2d provided with an internal fitting profile.
La figure 2h est une vue de face du pignon-engrenage rondelle de la figure 2g après traitement induction haute fréquence et brochage du profil d'emmanchement.Figure 2h is a front view of the washer pinion gear of Figure 2g after high frequency induction treatment and pinout of the fitting profile.
La figure 3a est une vue de face d'un assemblage de l'arbre creux des figures la et lb et du pignonengrenage rondelle de la figure 2h.Figure 3a is a front view of an assembly of the hollow shaft of Figures la and lb and the washer pinion gear of Figure 2h.
La figure 3b est une vue de détail de l'assemblage des cannelures montrées sur la figure 3a.Figure 3b is a detailed view of the assembly of the grooves shown in Figure 3a.
Sur les figures la et lb, est représenté un arbre creux 100 dont la réalisation constitue une première étape d'un procédé de fabrication d'engrenages sur un arbre creux de boîtes de vitesses.In FIGS. 1a and 1b, a hollow shaft 100 is shown, the production of which constitutes a first step in a process for manufacturing gears on a hollow shaft of gearboxes.
Selon le procédé de l'invention, l'ébauche de l'arbre creux 100 est obtenue par une coupe à longueur d'un tube d'acier. Sur l'arbre 100, sont réalisés des profils extérieurs 110, 120, 130, 140 d'entraînement pour des pignons-engrenages 210, 220, 2301, 2302, 240.According to the method of the invention, the blank of the hollow shaft 100 is obtained by cutting to length a steel tube. On the shaft 100, external profiles 110, 120, 130, 140 are produced for drive pinions 210, 220, 2301, 2302, 240.
Bien entendu, le diamètre du tube d'acier est supérieur au diamètre intérieur d'emmanchement du pignonengrenage le plus grand, ici des pignons 2301 et 2302.Of course, the diameter of the steel tube is greater than the inside fitting diameter of the largest pinion gear, here pinions 2301 and 2302.
Comme le montre plus particulièrement la figure lb, les profils extérieurs 110, 120, 130, 140 d'entraînement en denture de l'arbre creux 100 sont formés par des cannelures réalisées par extrusion directe du tube d'acier dans des matrices filières. Les profils extérieurs d'entraînement sont ensuite durcis par traitement superficiel par induction haute fréquence en sommet 111 des cannelures, telles que celles représentées sur la figure lb pour le profil extérieur 110 d'entraînement.As shown more particularly in FIG. 1b, the external profiles 110, 120, 130, 140 for toothed drive of the hollow shaft 100 are formed by grooves produced by direct extrusion of the steel tube into die dies. The external drive profiles are then hardened by surface treatment by high frequency induction at the top 111 of the splines, such as those shown in FIG. 1b for the external drive profile 110.
Le martelage permet de calibrer pour obtenir des tolérances plus précises en cas de besoin de variation de section brutale occasionnée par le rapprochement de deux profils extérieurs d'entraînement, comme par exemple les profils 110 et 120 de la figure la.The hammering makes it possible to calibrate in order to obtain more precise tolerances in the event of a need for variation in abrupt section caused by the bringing together of two external drive profiles, such as for example the profiles 110 and 120 of FIG.
Les cannelures 150, 160 d'entraînement de l'arbre luimême sont également filées par extrusion directe, puis durcies par traitement induction.The grooves 150, 160 for driving the shaft itself are also spun by direct extrusion, then hardened by induction treatment.
Les parties 170, 180 de roulement sont calibrées par martelage, puis durcies par traitement induction.The rolling parts 170, 180 are calibrated by hammering, then hardened by induction treatment.
Enfin, le filetage 190 de précontrainte de serrage est roulé sur le diamètre filé et des trous 111, 121, 131, 141 de lubrification sont pris.Finally, the thread 190 for pre-tensioning is rolled on the spun diameter and holes 111, 121, 131, 141 for lubrication are taken.
Les figures 2a à 2h montrent les différentes étapes de réalisation d'un pignon-engrenage rondelle 200 présentant un profil intérieur 213 d'emmanchement en denture dont on peut voir, en particulier sur les figures 2g et 2h, qu'il est sensiblement congruent au profil extérieur 110 d'entraînement de l'arbre creux 100 sur lequel le pignon-engrenage rondelle 210 doit être emmanché.FIGS. 2a to 2h show the different stages in the production of a washer pinion gear 200 having an internal profile 213 of toothed fitting which can be seen, in particular in FIGS. 2g and 2h, that it is substantially congruent with external profile 110 for driving the hollow shaft 100 on which the pinion-gear washer 210 must be fitted.
A partir d'une barre cylindrique, on obtient des ébauches rondelles cylindriques 210 par forgeage à chaud et calibrage à froid. La figure 2b montre que les ébauches 210 sont empilées afin de procéder au poussage de cet empilement par filage direct à l'aide d'un poinçon rotatif 310, représenté sur la figure 2a, à travers une matrice filière 320, montrée sur la figure 2c, qui forme le profil hélicoïdal 214 de denture extérieure que l'on peut voir sur la figure 2d. Pour cela, il convient de synchroniser la vitesse de rotation du poinçon rotatif 310 avec la vitesse de descente de manière à imprimer aux rondelles 250, une schématique en hélicoïde en conformité avec la denture hélicoïdale 321 de la matrice filière 320.From a cylindrical bar, cylindrical washer blanks 210 are obtained by hot forging and cold calibration. FIG. 2b shows that the blanks 210 are stacked in order to push this stack by direct spinning using a rotary punch 310, represented in FIG. 2a, through a die matrix 320, shown in FIG. 2c , which forms the helical profile 214 of external toothing which can be seen in FIG. 2d. For this, it is necessary to synchronize the speed of rotation of the rotary punch 310 with the speed of descent so as to print on the washers 250, a schematic in helicoid in accordance with the helical toothing 321 of the die matrix 320.
Ensuite, la denture extérieure 214 des pignonsengrenages rondelles 210 est durcie par traitement induction bifréquence au défilé selon le principe de la séquence décrite dans le brevet français FR-92.01493.Then, the external toothing 214 of the pinionwashers and washers 210 is hardened by dual frequency induction treatment in the process according to the principle of the sequence described in French patent FR-92.01493.
Toutefois, selon la figure 2e, on procede non pas en statique, mais par défilé relatif des outillages inducteurs coaxiaux, Moyenne Fréquence (MF) 410 et
Haute Fréquence (HF) par rapport à l'empilement des pignons 200. Pour cela, on décale les deux outils 410, 420 axialement sur une distance définie par la durée et la vitesse du traitement. De plus, pour s'affranchir des effets de bord de denture 214 présentant des différences de massivité qui produiraient des écarts de chauffage, il convient d'indexer les profils des dentures 214 afin d'offrir une continuité de matiere au défilé.However, according to FIG. 2e, the procedure is not static, but by relative parade of the coaxial inductor tools, Medium Frequency (MF) 410 and
High Frequency (HF) relative to the stack of pinions 200. For this, the two tools 410, 420 are shifted axially over a distance defined by the duration and speed of the treatment. In addition, to get rid of the edge effects of toothing 214 having differences in mass which would produce heating differences, it is necessary to index the profiles of the toothing 214 in order to offer continuity of material to the parade.
Enfin, le profil intérieur 213 d'emmanchement à denture du pignon-engrenage rondelle 210 est formé par des cannelures réalisées par brochage à travers une broche 500 de coupe, puis durci par traitement superficiel par induction haute fréquence en sommet 211 des cannelures 213.Finally, the internal profile 213 with toothed fitting of the pinion-gear washer 210 is formed by grooves produced by broaching through a cutting spindle 500, then hardened by surface treatment by high frequency induction at the top 211 of the grooves 213.
Dans une dernière étape d'emmanchement illustré sur les figures 3a et 3b, le pignon-engrenage rondelle 210 est emmanché sur l'arbre creux 100 par mise en coopération du profil intérieur 213 d'emmanchement du pignonengrenage rondelle 210 et du profil extérieur 110 d'entraînement de l'arbre creux 100. Les deux profils de denture cannelée ont un module voisin de 1, comprenant des parties cylindriques en sommet 111, 211 et fond 112, 212 de cannelures de longueur développée nécessairement supérieure à la moitié de la circonférence du diamètre considéré. Lors de l'emmanchement, la concentricité radiale est assurée par le contact, respectivement des parties cylindriques durcies des sommets 111, 211 de cannelures 110, 213 de l'arbre 100 et du pignon-engrenage rondelle 210 avec les parties cylindriques de référence des fonds 212, 112 de cannelures 213, 110 du pignon-engrenage rondelle 210 et de l'arbre creux 100. Les blocages mécaniques axial et tangentiel sont assurés par l'imbrication mutuelle des cannelures 110, 213.In a final fitting step illustrated in FIGS. 3a and 3b, the washer pinion gear 210 is fitted on the hollow shaft 100 by cooperation of the internal profile 213 for fitting the washer gear pinion 210 and the external profile 110d drive of the hollow shaft 100. The two profiles of fluted teeth have a module close to 1, comprising cylindrical parts at the top 111, 211 and bottom 112, 212 of flutes of developed length necessarily greater than half the circumference of the diameter considered. During the fitting, the radial concentricity is ensured by the contact, respectively of the hardened cylindrical parts of the tops 111, 211 of splines 110, 213 of the shaft 100 and of the pinion-gear washer 210 with the reference cylindrical parts of the bottoms 212, 112 of splines 213, 110 of the pinion-gear washer 210 and of the hollow shaft 100. The axial and tangential mechanical blockages are ensured by the mutual nesting of the splines 110, 213.
La figure 3b montre que, pour ce faire, les flans 115, 215 desdites cannelures sont bombés afin, lors de l'emmanchement, d'avoir un surplus de matière au milieu des flans 115, 215 à écouler vers les fonds 112, 212 et sommets 111, 211 de cannelures. Mais, pour éviter d'altérer les références de concentricité des parties cylindriques en sommet et fond de cannelures, le profil des flans 115, 215 est tel que le volume de matière en surplus au milieu des flans à écouler soit inférieur au volume des vides 116, 216 à combler en sommet et fond de cannelures. Le positionnement axial est donné par la machine de montage. Le blocage mécanique intervenant à froid peut être sécurisé par enduction à la colle anaérobique, type loctite, remplissant les vides 116, 216, durcissant à l'air et résistant à la température et aux huiles d'utilisation. FIG. 3b shows that, to do this, the blanks 115, 215 of said grooves are curved so as, during fitting, to have a surplus of material in the middle of the blanks 115, 215 to flow towards the bottoms 112, 212 and tops 111, 211 of grooves. But, to avoid altering the concentricity references of the cylindrical parts at the top and bottom of the grooves, the profile of the blanks 115, 215 is such that the volume of surplus material in the middle of the blanks to be drained is less than the volume of the voids 116 , 216 to be filled at the top and bottom of grooves. The axial positioning is given by the assembly machine. The mechanical blocking occurring when cold can be secured by coating with anaerobic glue, loctite type, filling the voids 116, 216, hardening in air and resistant to temperature and oils for use.
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| FR2763267B1 (en) | 1999-07-16 |
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