DD240240A1 - Vorfertigungsstufen fuer hochbelastbare zahnraeder und ihrer herstellungsverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Fertigung von Zahnraedern, deren Zahnbreite zwecks Erhoehung der Tragfaehigkeit in einzelne Breitenelemente aufgeloest ist. Sie ist fuer Aussenverzahnungen als Grad-, Schraeg- und Pfeilverzahnung aus Stahl, gehaertet oder nicht gehaertet, anwendbar. Fuer einen Modul wird ein Modulband z. B. durch Stanzen als Vorfertigungsstufe erzeugt, welches die Zahnluecken weitgehend ausgearbeitet hat. Durch Wickeln des Bandes um den Zahnradgrundkoerper entstehen Zahnrollen mit bestimmter Zaehnezahl, wobei die Einhaltung der Teilung durch Marken auf dem Grundkoerper erzwungen wird. Aus den Zahnrollen kann durch Abtrennen eine Zahnscheibe gewuenschter Breite gewonnen werden, die ein hinreichendes Aufmass hat, um verschiedene Profilverschiebungsfaktoren zu realisieren. Fig. 2 zeigt ein Stueck Modulband so gekruemmt, wie es um einen Grundkoerper gewickelt ist. Fig. 2

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Vorfertigungsstufen für hochbelastbare Zahnräder und ihrer Herstellungsverfahren. Sie ist für gehärtete und ungehärtete Zahnräder aus Stahl anwendbar.

Außenverzahnungen können mit Gerad-, Schräg- und Pfeilzähnen damit erzeugt werden. Für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist es wichtig, daß etwa 50000 Zähne mit einem Modul gefertigt werden. Diese können sich auf unterschiedliche Zahnräder verteilen. Die Zahnräder sollten Zähnezahlen über 30 haben.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Neuerdings ist bekannt, daß die Aufhebung des geschlossenen Zusammenhangs des materiellen Zahnes längs seiner Breite positive Veränderungen im Schubspannungsverlauf mit sich bringen, die einerseits eine günstigere Lastverteilung und damit eine höhere Tragfähigkeit ermöglicht, andererseits die Grenzen der zulässigen Zahnbreite erweitert.

Bekannt ist ferner, ein Zahnrad aus ausgestanzten dünnen Blechen zusammenzusetzen (DE 3026685 A1). Dieses Verfahren läßt sich jedoch wirtschaftlich nur anwenden, wenn eine ganz bestimmte Zahngeometrie (Modul, Zähnezahl, Profilverschiebung) so häufig gebraucht wird, daß die Kosten eines Feinschneidwerkzeuges sich amortisieren. Bekannt sind auch Zahnräder aus Verbundwerkstoff mit einem hochwertigen Material für den Zahnkranz und billigem Werkstoff für den Grundkörper. Der Mangel am Stand der Technik besteht im Fehlen eines Verfahrens und eines Halbzeuges, welches in Art des Verbundwerkstoffees die groben Zerspanungsarbeiten den hochwertigen Verzahnungsmaschinen abnimmt und Zähne herstellen läßt, deren Gesamtbreite aus getrennten Breitenelementen zusammengesetzt ist.

Ziel der Erfindung

ist es, ein Fertigungsverfahren für Zahnräder aus Stahl in Stufen anzugeben, welches in der ersten Vorfertigungsstufe alle Vorteile der Massenfertigung aufweist, je nach Verwendungszweck danach oder nach einer höheren Vorfertigungsstufe aus der Massenfertigung herausgelöst werden kann, um einem ganz speziellen Zweck zugeführt zu werden. Dabei soll unter Anwendung gebräuchlicher Werkstoffe durch Auflösung der Zahnbreite in einzelne Breitenelemente eine höhere Belastbarkeit erreicht werden. Der Einsatz hochwertigen Zahnradwerkstoffes soll auf den Bereich des Zahnkranzes beschränkt werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

— Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst werden soll, besteht in der Angabe eines Herstellungsverfahrens in Stufen dergestalt, daß die erste Vorfertigungsstufe den Charakter der Massenfertigung hat, die zweite Vorfertigungsstufe etwa der Serienfertigung zugerechnet werden kann und in der dritten Stufe unter kostengünstiger Ausnutzung der ersten und zweiten Stufe für einen individuellen Zweck in Einzelfertigung hergestellt werden kann.

Die Produkte der Vorfertigungsstufen sollen auch Warencharakter haben.

Das Endprodukt, das einsatzfähige Zahnrad, soll bei geringem Einsatz an hochwertigem Material gegenüber konventionell hergestellten Zahnrädern aus gleichem Material eine höhere Tragfähigkeit aufweisen.

— Die Merkmale der Erfindung bestehen sowohl in der geometrischen Form und Anordnung des Materials als auch in der Reihenfolge der Verfahrensschritte.

Ein Hauptmerkmal besteht darin, daß ein Stahlband nach noch zu beschreibender Vorbearbeitung hochkant um einen Dorn in einer Schraublinie gewickelt wird, als wenn daraus eine Schraubenzugfeder mit Vorspannkraft hergestellt werden soll dergestalt, daß die Länge der gedachten Schraubenfeder der Zahnradbreite entspricht und eine Windung einem Breitenelement entspricht.

Bekanntlich lassen sich bei der Schraubenfeder die Windungen um einen kleinen Betrag gegenüber verdrehen.

Erfindungsgemäß soll sich ein Breitenelement an der Stelle der Zahnflanke gegenüber dem Nachbarelement um winzige Beträge schubspannungsfrei verschieben können, um einen günstigeren Lastverteilüngsfaktor dadurch zu erzielen, daß die naturgesetzliche Form der Biegelinie eines homogenen Zahnes aufgehoben wird.

Ein weiteres Merkmal des genannten Stahlbandes besteht in der Art seiner Bearbeitung. Während die Länge des Bandes nur von der Handlichkeit beim Transport bestimmt wird, sind Dicke und Breite abhängig vom Modul der zu fertigenden Zahnräder. Die Banddicke, aus der später ein Breitenelement des Zahnrades entsteht, liegt bei (0,1 ...1) · m je nach Material und Fertigungsmittel; die Bandbreite liegt bei (3...10) mje nach gewünschter Streubreite der Fertigprodukte, (m = Modul) Auf der einen Seite der Bandbreite sind die späteren Zahnlücken so ausgearbeitet, daß einerseits für die spätere Feinbearbeitung nur noch wenig Material zu entfernen ist, aber andererseits auch so, daß eine hinreichende Materialzugabe für unterschiedliche Flankenformen infolge unterschiedlicher Zähnezahl und unterschiedlicher Flankenfolge infolge unterschiedlicher Profilverschiebung vorhanden ist. Auf der gegenüberliegenden Bandbreite sind ebenfalls Lücken ausgearbeitet, die zusammen mit den stehengebliebenen Vorsprüngen erfindungsgemäß folgende Aufgaben haben:

Die Vorsprünge sollen sich mit dem stehengebliebenen Bandrand später auf dem Wickeldorn abstützen. Die etwa rechtwinklig zum Bandrand verbliebenen Begrenzungen der Vorsprünge sollen an Marken des Wickeldorns anliegen und beim Wickeln die Einhaltung der Teilung erzwingen.

Die Lücken zwischen diesen Vorsprüngen sollen die Biegung um den Wickeldorn erleichtern, indem sie das Trägheitsmoment des Bandes wesentlich verringern.

Diese Lücke auf der einen Bandseite und die Zahnlücken auf der anderen Bandseite sind erfindungsgemäß um eine halbe Teilung versetzt. Dadurch wird die neutrale Faser einer Biegung vor dem Vollzug der Biegung eine sinusähnliche Linie, wobei eine Vollschwingung einer Teilung entspricht.

Diese besondere Form der neutralen Faser ist ein wesentliches Erfindungsmerkmal, weil sie die Voraussetzung dafür ist, daß einmal die Hauptverformungsgebiete des Bandes beim Wickeln nicht in die Gebiete der größten Betriebsbeanspruchung des späteren Zahnrades fallen und daß zum anderen während des Wickelvorganges um den Dorn eine Streckung des Bandes erfolgen kann. Diese Streckung oder Längung ist erforderlich, um für verschiedene frei zu wählende Zähnezahlen die Teilung am Teilkreis im Mittel über mehrere Zähne genauestens einhalten zu können. Dies ist auch beim Wickeln von Pfeil- und Schrägverzahnung möglich. Diese Einhaltung der Teilung wird durch materielle Marken am Wickeldorn erzwungen, die in die Lücken am Bandrand eingreifen. Wenn das Band beim Wickeln von seiner geraden Form in die Kreisform gebogen wird, muß der Umfang am Außenradius größer sein als der Umfang am Innenradius. Der Umfang am Teilkreis muß genau eingehalten werden.

Da eine Verkürzung des Bandes, ein Stauchen des Materials ohne Faltenbildung einen hohen technologischen Aufwand erfordern würde, wird erfindungsgemäß die Bandlängung gewählt, die durch Streckung der Teilung und dabei Verkleinerung der Amplitude der sinusförmigen neutralen Faser beim Wickelvorgang leicht gesteuert werden kann. Die Teilung des Bandes vor dem Wickelvorgang ist etwa (0,9 · m ·π).

Die Herstellung eines solchen Zahnbandes großer Länge für einen Modul stellt die erste Verfahrensstufe dar. Als spezielles Fertigungsverfahren bietet sich das Ausschneiden in einem Folgeschneidwerkzeug mit anschließender Beseitigung der Verwölbungen durch Walzen oder beidseitiges Überschleifen im Durchlauf an.

Dieses Band kann — wie Bandstahl in Rollen gewickelt — als Ware zurweiteren Verarbeitung angeboten werden. Es stellt die erste Vorfertigungsstufe für hochbelastbare Zahnräder dar und soll im folgenden Modulband genannt werden. Die zweite Vorfertigungsstufe stellt ein weiteres Hauptmerkmal der Erfindung dar. Vor ihrer Realisierung muß außerdem Modul jetzt noch die Zähnezahl für das spätere Zahnrad festgelegt werden. Die Nummer des Bezugsprofils, der Profilverschiebungsfaktor und die Zahnradbreite können noch offen bleiben.

Der Außendurchmesser des Wickeldorns ergibt sich aus der Bandgeometrie des Modulbandes und der benötigten Zähnezahl durch Vorausberechnung und technologischen Versuch. Der Wickeldorn wird zum Zahnradgrundkörper der zu fertigenden Zahnräder. Seine Länge bestimmt sich aus fertigungstechnischen Gesichtspunkten und umfaßt die Zahnradbreiten einer größeren Anzahl von Zahnrädern sowie den Verschnitt beim Trennen.

Am Umfang des Wickeldornes, einigermaßen gleichmäßig verteilt unter einer Wickeldifferenz, die sich aus dem ganzzahligen Vielfachen von 360°/z (z = Zähnezahl) ergibt, sind Marken beispielsweise in Gestalt von Paßfedern angebracht, die in die Lücken des Modulbandes eingreifen und damit sowohl die Einhaltung der Teilung erzwingen, als auch eine der Zähnezahl entsprechende Dehnung des Modulbandes.

Diese Dehnung während des Wickelvorganges wird durch eine entsprechende Zugspannung erzielt, die gemeinsam mit einer notwendigen Führung des Bandes durch ein Rollenpaar ein Abkippen oder eine Schrägstellung oder eine Faltenbildung

verhindert. ·

Die Anordnung des Rollenpaares und die Richtung der Zugkraft beim Bandzulauf bewirken eine dichte Packung der Windungen des Modulbandes, welche verglichen werden kann mit der Blocklänge einer vorgespannten Schraubenzugfeder.

Werden die Paßfedern auf dem Wickeldorn nicht achsenparallel, sondern als steile Schraubenlinie angebracht, entsteht beim Wickeln die Grundform eines schrägverzahnten Rades. Entsprechend läßt sich auch die Grundform von Pfeilverzahnungen wickeln.

Um die Spannungen im Modulband infolge der Verformungen beim Wickelvorgang bis auf Restspannungen abzubauen, muß anschließend Spannungsfreiglühen erfolgen.

Die Zahnrolle, bestehend aus dem Zahnradgrundkörper mit den Paßfedern und dem gewickelten Modulband, ist die zweite Vorfertigungsstufe. Von ihr können Zahnscheiben nach Bestellung abgeschnitten werden. Unbeschadet einer späteren Befestigung der Enden des durchgeschnittenen Modulbandes, beispielsweise durch Hartlöten, Punktschweißen oder Vorlage einer Scheibe, ist ein Aufwickeln nicht zu befürchten infolge der beim Wickeln erzeugten Vorspannung einer gedachten Zugfeder.

Die Vorzüge dieser aus der Zahnrolle abgeschnittenen Zahnscheiben als Zahnradrohlinge bestehen in der weitgehenden Vorfertigung der Zahnlücken, der Verwendung des hochwertigen Materials nur für den Zahnkranz, wasz. B. auch Härten ohne Beeinträchtigung des Materials am Grundkörper erlaubt, und in der Auflösung der Zahnradbreite in Breitenelemente.

In einer dirtten Fertigungsstufe erfolgt die Feinbearbeitung. Je nach Anzahl der zu fertigenden gleichen Zahnräder können unterschiedliche Arbeitsfolgen gewählt werden.

Bei größeren Serien gleichartiger Zahnräder und ungehärteten Zähnen wird entsprechend dem gewählten Bezugsprofil und dem gewählten Profilverschiebungsfaktor zuerst der Kopfkreisdurchmesser an der Zahnrolle gefertigt, dann die gesamte Rolle der Verzahnungsmaschine zugeführt und erst dann auf Zahnbreite getrennt.

Bei der Herstellung von Einzelrädern und insbesondere bei zu härtendem Zahnmaterial wird zuerst auf Länge geschnitten, die Bandenden punktgeschweißt, gehärtet und dann die Zahnflanken geschliffen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend am Beispiel eines Zahnrades mit ζ = 37 und m = 4mm unter Bezugnahme von Figuren näher erläutert werden

Es zeigen:

Fig. 1: Einen Ausschnitt aus einem Modulband.

Fig. 2: Das Modulband so gekrümmt, wie es um den Zahnradgrundkörper gewickelt ist.

Fig. 3: Eine Teilung des Modulbandes stark vergrößert mit der Lage unterschiedlicher Zahnflanken.

Fig.4: Eine Zahnrolle komplett.

Fig.5: Einen Teilschnitt durch die Zahnrolle.

Fig. 6: Einen Teilschnitt durch die Zahnrolle.

Fig. 7: Einen Teilschnitt durch die Zahnrolle.

Fig. 8: Eine Einzelheit der Zahnrolle mit der Paßfeder.

In Fig. 1 wird ein Ausschnitt aus einem Modulband gezeigt, wie es sich als Produkt aus einer ersten Vorfertigungsstufe darstellt.

Der Modul ist der Maßstabsfaktor für alle Größen. Eine Linie 1 soll den späteren Teilkreis ergeben, eine sinusförmige Linie entspricht etwa der neutralen Faser 2. Ihr geometrisches Mittel über den Umfang ist die Linie 3. Zähne mit Bearbeitungszugabe sind mit 4 bezeichnet. Vorsprünge 5 stützen sich mit einer Modulbandaußenseite 6 auf den Wickeldorn ab. Lücken 7 sollen die Biegung erleichtern.

In Fig. 2 ist das Modulband in gekrümmter Form gezeichnet. Eine Teilkreisteilung 8 muß den Betrag ρ = m · π ergeben. Der Unterschied zwischen der Normalteilung und Stirnteilung infolge der Steigung der Schraubenlinie des Modulbandes ist weniger als ein Promille. Eine andere Erscheinung muß jedoch beachtet werden.

Geht man von einer reinen Verbiegung der neutralen Faser 2 aus, muß diese im ungewickelten Zustand der Fig. 1 eine Bandteilung 9

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haben, wobei k = 3...4ist. Die Wahl k = 4 gilt für praktisch beliebige positive und negative Profilverschiebungen.

Beim Wickeln kleiner Zähnezahlen wird das Modulband nur gebogen, bei großen Zähnezahlen muß es mehr und mehr gestreckt werden. Bei Schrägverzahnung sind zwei Streckbeträge für einen Schrägungswinkel möglich. DerSchrägungswinkel kann auch ' so gewählt werden, daß eine Lösung für den Streckbetrag Null wird.

Fig. 3 zeigt vergrößert eine Teilung des Modulbandes, aus welchem Zahnflanken 10 mit positiver Profilverschiebung χ = 0,5 oder Zahnflanken 11 ohne Profilverschiebung oder Zahnflanken 12 mit negativer Profilverschiebung χ = —0,3 gefertigt werden können. Die in Fig.3 angegebenen Maße in Bruchteilen vom Modul wurden theoretisch gefunden. Sie können nach technologischen Versuchen noch optimiert werden.

Fig. 4 zeigt das Zahnradausführungsbeispiel mitz = 37, m =4 mm. Auf einem Zahnradgrundkörper 13, der als Wickeldorn diente, sitzen drei Paßfedern 14mit einem Abstand von 12 beziehungsweise 13Zähnen. Die Teilschnitte dienen der Veranschaulichung und sind in den Fig. 5,6,7 dargestellt. Die Paßfeder 14 ist als Einzelheit D in Fig. 8 separat herausgezogen.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch:

   Vorfertigungsstufen für hochbelastbare Zahnräder und ihrer Herstellungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß als Endprodukt spezielle Zahnräder entstehen, deren Zähne längs der Zahnbreite keinen geschlossenen Zusammenhang haben und demzufolge einen besseren Lastverteilungsfaktor aufweisen und dadurch gekennzeichnet, daß diese Eigenschaft in einem Prozeß von Fertigungsstufen erzeugt wird, wobei in einer ersten Stufe in Massenfertigung ein Modulband erzeugt wird mit vorgefertigten Zahnlücken auf einer Bandseite und funktions- und fertigungsbedingten Lücken auf der anderen Bandseite so, daß eine sinusförmige neutrale Faser entsteht, die eine Bandstreckung ermöglicht und dadurch das Modulband eine Vorfertigungsstufe für alle möglichen Stirnradarten und -größen dieses Moduls verwendet werden kann und danach in einer zweiten Vorfertigungsstufe durch einen Wickelprozeß dieses Modulbandes um einen Zahnradgrundkörper am Ende spannungsfreigeglühte Zahnrollen entstehen, wobei die Einhaltung der Teilung durch materielle Marken auf dem Grundkörper erzwungen wird, die in die vorgefertigten Lücken des Modulbandes eingreifen und dadurch gekennzeichnet sind, daß in einer dritten Fertigungsstufe die Fertigbearbeitung des Zahnrades erfolgt, wobei die Bearbeitung des Kopfkreisdurchmessers, die Feinbearbeitung der Zahnflanken, das Abtrennen von der Zahnrolle und gegebenenfalls eine Wärmebehandlung in einer zweckentsprechenden Reihenfolge vorgenommen werden können.