DE10005438A1

DE10005438A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kupplungsverzahnungen an Gangrädern für Schaltgetriebe

Info

Publication number: DE10005438A1
Application number: DE10005438A
Authority: DE
Inventors: Uwe Tittmann
Original assignee: PSW Press und Schiedewerk GmbH
Current assignee: PSW Press und Schiedewerk GmbH
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2001-08-16
Also published as: EP1125655A2; US20010025520A1; US6494072B2; JP2001287117A; EP1125655A3

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Getrieberades (10) mit einer Kupplungsverzahnung mit axialem Hinterschnitt und einer dachförmigen Einlaufgeometrie besteht darin, den Zahnradrohling in Rotationsbewegung zu bringen und profilierte Umformwerkzeuge in Gestalt von außenverzahnten Rollen, Zahnstangen oder innenverzahnten Hohlwalzen abwälzend, in Eingriff mit dem Material zu bringen und durch radiale bzw. axiale Zustellbewegung die entsprechende Umformung einzuleiten.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen der Kupplungsverzahnung an Gangrädern von Schaltgetrieben (Fig. 1).

Zahnräder mit einer solchen Kupplungsverzahnung werden z. B. in manuell geschalteten Getrieben eingesetzt. Sie sind in der Regel drehbar auf der Getriebewelle gelagert. Eine Drehmomentübertragung von und zur Getriebewelle wird erst ermöglicht, wenn eine Schaltmuffe axial bewegt wird und in die Kupplungsverzahnung einrastet. Durch den Hinterschnitt an der Außenverzahnung wird verhindert, daß die Schaltmuffe im Fahrbetrieb außer Eingriff kommt.

Die Kupplungsverzahnungen dieser Gangräder weisen allgemein eine spezielle Geometrie zum leichten Einrasten der Schaltmuffe (Dachform Fig. 2/16) sowie eine Außenverzahnung mit axialem Hinterschnitt zur sicheren Drehmomentübertragung von und zur Schaltmuffe auf.

Stand der Technik

In der Technik sind mehrere Verfahren bekannt, Verzahnungen mit einer solchen Geometrie herzustellen.

Insbesondere ist es bekannt, diese durch eine spanende Formgebung zu erzielen, beispielsweise durch Wälzstoßen.

Ein Zerspanungswerkzeug, wie beispielsweise ein Schneidrad, führt eine oszillierende Bewegung in einem leichten Winkel zur Zahnradlängsachse aus sowie eine Zustellbewegung radial aus. Gleichzeitig führen Zahnrad und Werkzeug eine Rotationsbewegung aus, so daß durch Abwälzung der beiden Körper unter Spanabtrag die erforderliche Evolventenform mit Hinterschnitt entsteht.

Ein anderes Verfahren besteht darin, daß eine separate Blechscheibe hergestellt wird, die eine solche Verzahnung trägt und diese Blechscheibe an den Zahnradgrundkörper angeschweißt wird. In diesem Falle wird die Verzahnung in der Regel durch Feinstanzen eingebracht.

Aus der DE 43 35 505 C1 ist es bekannt, gerade Außenverzahnungen durch ein Rollverfahren herzustellen, bei dem verzahnte Formrollen axial in Relation zum rotierenden Werkstück bewegt werden, wobei die Formrollen durch einen sogenannten Vorsetzer, der eine Außenverzahnung trägt, zum Werkstück synchronisiert werden. Dieses Verfahren eignet sich für Außenverzahnungen, deren Flankenlinien parallel zur Werkstückachse verlaufen, nicht jedoch für die Erzeugung der hier beschriebenen Zahnform.

Ein weiterer bekannter Lösungsansatz, der es ermöglicht, das gesamte Zahnrad aus einem Stück zu fertigen, ist ein Kalibrieren der Zähne in einem Pressenwerkzeug, bei dem einzelne Zahnsegmente durch radiale und/oder axiale Bewegung in das Werkstück eingeprägt werden. Solche Segmentwerkzeuge sind sehr kompliziert und teuer, haben eine geringe Standzeit und es ist damit sehr schwierig, die meist sehr engen Verzahnungstoleranzen herzustellen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die es ermöglichen, mit einfachen Werkzeugen durch spanlose Fertigung in hoher Qualität Außenverzahnungen herzustellen, die durch die seitlich spitz auslaufende Form und eine axiale Hinterschneidung geeignet sind, das Ein- und Auskuppeln von Gangrädern in Schaltgetrieben darzustellen.

Lineare Pressenwerkzeuge sind wegen des Hinterschnitts ungeeignet, Segmentwerkzeuge teuer und unpräzise.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.

Die Vorrichtung besteht aus einer drehbar gelagerten Spindel, auf der mittels einem Spannfutter das Werkstück eingespannt ist. Diese Spindel wird gemeinsam mit dem Futter und dem Werkstück in eine Drehbewegung versetzt.

Umformwerkzeuge in Gestalt von außenverzahnten Rollen, linear bewegliche Zahnstangen oder innenverzahnten Hohlrädern werden mit dem Werkstück in Eingriff gebracht. Durch anschließende radiale und/oder axiale Bewegung dieser Werkzeuge zum Werkstück hin wird eine abwälzende Werkstückumformung eingeleitet.

Dabei kann die Drehbewegung durch Antrieb der Spindel oder durch Antrieb des Umformwerkzeuges erfolgen.

Wichtig ist die mit dem Abwälzen des Zahnprofils einhergehende Zustellung des Umformwerkzeuges.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Verzahnung mit Hinterschnitt an einem Zahnrad durch ein Umformverfahren herzustellen, wobei die Verwendung eines Segmentwerkzeugs umgangen wird. Segmentwerkzeuge sind insbesondere insofern ungünstig, daß ein Preßvorgang mit Segmenten in der Regel mit hohen Toleranzen verbunden ist. Andererseits macht es die Hinterschneidung unmöglich, gewöhnliche, lineare Pressen einzusetzen.

Indem das Umformwerkzeug so an einer Zustelleinrichtung angebracht wird, daß eine radiale Zustellbewegung des Werkzeugs zum Werkstück durchgeführt wird, und gleichzeitig das Werkstück einer Drehbewegung ausgesetzt wird, ist es möglich, eine Verzahnung mit axial hinterschnittenen Zahnflanken in einem axial hinterschnittenen Bereich eines einteiligen Zahnrads herzustellen. Neben der Rotationsbewegung, die sowohl das Werkstück als auch das Umformwerkzeug um Achsen ausführen, die zueinander parallel sind, ist es wesentlich, daß die Zustellbewegung des Werkzeugs mindestens in radialer Richtung erfolgt. Weiterhin ist es möglich, daß das Werkzeug zusätzlich eine Bewegung ausführt, die senkrecht zu der Ebene ist, die durch die Rotationsachse und die Richtung der Zustellbewegung aufgespannt ist.

Selbstverständlich können mehrere Werkzeuge gleichzeitig eingesetzt werden, die zueinander parallele Drehachsen besitzen und ähnliche Zustellbewegungen ausführen. Eine Anordnung, die wie oben beschrieben ist, ermöglicht es, ein Zahnrad mit einem hinterschnittenen Bereich und axial hinterschnittenen Zahnflanken in dem hinterschnittenen Bereich aus einem Stück durch ein Umformverfahren herzustellen. Somit kann eine Verzahnung mit geringen Toleranzen an einem Zahnrad angebracht werden, nachdem eine erste Außenverzahnung durch ein herkömmliches Verfahren gebildet worden ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die übrigen Ansprüche gekennzeichnet.

So ist es nach einer bevorzugten Ausführungsform möglich, neben den ersten, beschriebenen Umformwerkzeugen mindestens ein weiteres Umformwerkzeug an der Vorrichtung anzubringen. Dieses weitere Umformwerkzeug, auch als zweites Umformwerkzeug bezeichnet, dient insbesondere dazu, eine spezielle Dachform an den Zahnflanken im hinterschnittenen Bereich zu formen. Diese spezielle Dachform erleichtert das Einrasten einer Schaltmuffe. Selbstverständlich ist es möglich, nicht nur ein einzelnes dieser zweiten Werkzeuge vorzusehen, sondern gegebenenfalls mehrere. Ferner ist es denkbar, die Umformung der Dachform zeitgleich mit dem Formen der hinterschnittenen Zahnflanken durchzuführen, oder in sequentiell aufeinanderfolgenden Schritten. Das Werkzeug bzw. die Werkzeuge zum Anbringen der Dachform führen bei der Umformung ebenfalls eine Drehbewegung um eine Rotationsachse aus. Die Rotationsachse verläuft abhängig von der Dachform in der Regel in einem Winkel zur Rotationsachse des Zahnradrohlings, der größer als 0° ist. Ferner führt das Umformwerkzeug zusätzlich eine in der Regel radiale Zustellbewegung aus. Beim Umformverfahren zur Erzeugung der Dachform ist ferner eine translatorische Bewegungskomponente in der Zustellbewegung des zweiten Umformwerkzeugs enthalten, die parallel zur Rotationsachse des Zahnradrohlings ist.

Das Verfahren zur Herstellung des Zahnrads mit einem axial hinterschnittenen Bereich, in dem eine Außenverzahnung hinterschnittene Zahnflanken aufweist, kann nach einer bevorzugten Ausführungsform den Schritt des Vorformens der Zähne im hinterschnittenen Bereich vor dem endgültigen Umformverfahren umfassen. Dies ist insofern vorteilhaft, als bei einer groben Vorformung der Verzahnung die abschließende Umformung weniger aufwendig ist und somit weniger Zeit beansprucht. Weiterhin ist in der Regel bei dem beschriebenen Umformverfahren eine grobe Vorformung und eine anschließende Ausformung kostengünstiger als eine Ausgestaltung der Verzahnung im hinterschnittenen Bereich aus einem nicht vorgeformten, kreisrunden Rohling.

Bevorzugterweise ist die Vorrichtung so gestaltet, daß eine Antriebsvorrichtung den Zahnradrohling antreibt. In der Regel ist die Gestaltung derart, daß die Spanneinrichtung in eine Rotationsbewegung versetzt wird, und somit der auf der Spanneinrichtung gespannte Zahnradrohling mitbewegt wird. Es ist bei einem Antreiben der Spanneinrichtung für den Zahnradrohling möglich, das oder die Werkzeuge durch eine Abwälzbewegung passiv mitzubewegen. Somit ist es nicht erforderlich, die Werkzeuge, zumindest was die Rotationsbewegung der Werkzeuge betrifft, eigenständig anzutreiben. Die Werkzeuge bzw. die Zustelleinrichtung, auf der die Werkzeuge befestigt sind, muß jedoch über einen geeigneten Mechanismus in der Lage sein, die radiale und/oder axiale Zustellbewegung, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erforderlich ist, auszuführen.

Andererseits ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform eine Antriebsvorrichtung für das oder die Umformwerkzeuge vorgesehen. Prinzipiell sind hier zwei Möglichkeiten denkbar, nämlich einerseits, daß die Antriebsvorrichtungen für die Umformwerkzeuge zusätzlich zu der Antriebsvorrichtung für die Spanneinrichtung und damit das Werkstück vorgesehen sind, oder andererseits, daß die Antriebsvorrichtung für das Umformwerkzeug oder die Umformwerkzeuge vorgesehen sind, ohne eine Antriebsvorrichtung für die Spanneinrichtung vorzusehen. Im ersten Fall ist zusätzlich vorteilhafter Weise eine Synchronisationseinrichtung vorgesehen, die es ermöglicht und sicherstellt, daß die Drehbewegungen des Werkzeugs und des Zahnradrohlings zueinander synchron ablaufen. Im anderen Fall kann das Werkstück passiv durch eine Abwälzbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück mitbewegt werden. Zwei getrennte Antriebsvorrichtungen bieten den Vorteil, daß die Zustelleinrichtung über die gleiche Antriebsvorrichtung zur Ausführung der Zustellbewegung angetrieben werden kann. In diesem Fall ist es jedoch nötig, die synchrone Drehbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug sicherzustellen. Bei einer passiven Mitnahme von entweder dem Werkzeug oder dem Werkstück durch das jeweils andere Element entfällt die Notwendigkeit einer Synchronisationseinrichtung.

Vorteilhafterweise ist das erste Umformwerkzeug eine Walze, die ein Außenprofil aufweist. Das Außenprofil ist als Gegenstück zum gewünschten Verzahnungsprofil gebildet. Eine profilierte Walze zur Bildung der Verzahnung ist einerseits gut herzustellen, andererseits in einer entsprechenden Vorrichtung einfach einzubauen. Bei der Verwendung einer profilierten Walze, auch als Verzahnungsrolle bezeichnet, ist es ferner möglich, gleichzeitig ein zweites Umformwerkzeug zur Erzeugung einer Dachform, gegebenenfalls ebenfalls in der Form einer profilierten Walze, anzubringen und das Werkstück gleichzeitig mit beiden Werkzeugen zu bearbeiten.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste Umformwerkzeug eine Hohlwalze. In diesem Fall weist die Hohlwalze an ihrer Innenfläche Profilierungen auf, die dafür sorgen, daß die entsprechende gewünschte Verzahnung in den Zahnradrohling eingepreßt wird. Bei Verwendung einer Hohlwalze ist es jedoch nicht möglich, das Werkstück gleichzeitig mit einem zweiten Werkzeug zu bearbeiten. Außerdem ist es bei Verwendung einer Hohlwalze nicht günstig, mehrere erste Werkzeuge anzubringen, was einen Einfluß auf die Bearbeitungsdauer hat.

Während sowohl die Hohlwalze mit Profilierung an ihrem inneren Umfang als auch die rotierenden Walzen mit Profilierung an ihrem äußeren Umfang bei der Umformung eine Drehbewegung um eine Achse parallel zur Rotationsachse des Zahnradrohlings ausführen, ist bei der Verwendung von profilierten Zahnstangen für das erste und/oder das zweite Umformwerkzeug die Bewegung des Werkzeugs im wesentlichen eine linear oszillierende Bewegung. Zahnstangen sind jedoch insofern vorteilhaft, als sie sehr einfach und kostengünstig zu fertigen sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines einteiligen Zahnrades mit einer axial hinterschnittenen Verzahnung ist

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Herstellung eines einteiligen Zahnrades mit integrierter Kupplungsverzahnung gemäß Erfindung ist,

Fig. 4 ein Umformwerkzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und

Fig. 5 eine Ausführung des Umformwerkzeugs mit Zahnstangen darstellt.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines einteiligen Zahnrades mit integrierter Kupplungsverzahnung. (14).

In der Seitenansicht Fig. 2 ist deutlich die Zahnform einer solchen Kupplungsverzahnung zu erkennen Die nach rechts zeigende Dachform ermöglicht das Einrasten der Schaltmuffe. Nach links verjüngt sich der Zahn (Hinterschnitt) und ermöglicht so das sichere Halten der Schaltmuffe im Fahrbetrieb.

In Fig. 3 ist beispielhaft eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines Zahnrades mit der geometrischen Konfiguration, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, veranschaulicht.

Die Vorrichtung umfaßt eine drehbar um die Achse X gelagerte Spindel 22 und einen Reitstock 24, die eine Spanneinrichtung bilden und mit Hilfe derer der Zahnradrohling 10 gespannt wird.

Ein erstes Werkzeug 26 ist mittels einer Rollenlagerung 28 drehbar um eine Achse Y1 gelagert. Durch eine hier nicht gezeichnete Zustelleinrichtung kann diese Baugruppe radial zum Werkstück bewegt werden. Die Achse Y1 ist im wesentlichen parallel zur Drehachse X.

Das Werkzeug 26 ist als Walze ausgebildet, die eine Profilierung am Außenumfang aufweist, die geeignet ist, am Werkstück die Außenverzahnung, insbesondere deren hinterschnittenen Bereich anzuformen.

In Fig. 3 ist ferner ein zweites Werkzeug 30, gelagert auf der Rollenlagerung 32, versehen mit einer hier nicht gezeichneten Zustelleinrichtung. Die Drehachse dieses Werkzeuges steht in einem Winkel æ zur Drehachse der Spindel. Die Zustellbewegung, der Werkzeuge 26 und 30 kann sowohl radial als auch axial erfolgen.

Der Antrieb zur Rotationsbewegung von Werkstück und Werkzeugen kann sowohl durch angetriebene Spindel als auch über angetriebene Werkzeuge erfolgen.

In der gezeigten Ausführungsform ist ein erstes und ein zweites Umformwerkzeug vorgesehen. Je nach geforderter Zahngeometrie kann es möglich sein, mehrere Werkzeuge der ersten oder zweiten Art oder nur 1 Werkzeug der ersten oder zweiten Art zu verwenden.

In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform sind beide Werkzeuge als Walzen mit einer Außenprofilierung ausgebildet. Selbstverständlich können auch andere geeignete Werkzeuge eingesetzt werden, Beispiele davon sind in den Fig. 4 und 5 gezeigt.

Fig. 4 zeigt ein Hohlrad, das eine Drehbewegung um eine Drehachse Y3 ausführt, die parallel zur Drehachse des Werkstücks X ist.

Das Hohlrad 34 weist an seinem inneren Umfang eine Profilierung 35 auf, die im wesentlichen dazu beiträgt, die gewünschte Verzahnung auf dem Werkstück 10 durch Umformen zu erzeugen. In diesem Fall erfolgt die Zustellbewegung im wesentlichen in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachsen X bzw. Y3 erfolgt.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gezeigt ist ein Werkzeug 36, das in Form einer Zahnstange ausgebildet ist. Diese führt eine linear oszillierende Bewegung aus, wobei die Bewegungsvektoren in einer Ebene liegen, die im wesentlichen senkrecht zur Drehachse X des Zahnradrohlings 10 ist. Durch die Drehbewegung des Zahnrad-Rohlings bei gleichzeitig linearer Bewegung der Zahnstange, verbunden mit einer gleichzeitigen radialen Zustellung der Zahnstange zum Werkstück hin, wird eine abwälzende Umformung mit Ausbildung der Zähne erreicht.

Zur Abstützung des Teils und Steigerung der Produktivität wird kann eine zweite Zahnstange 38, gegenüberliegend zur ersten eingesetzt werden.

Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß durch eine Abwälzbewegung eines profilierten Werkzeugs bei gleichzeitiger radialer Zustellung die für Schaltgetriebe benötigte Zahnform mit Einlaufschräge und Hinterschnitt kostengünstig mit einfachen Werkzeugen herstellbar ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Kupplungsverzahnung an einem einteiligen Getrieberad, dadurch gekennzeichnet, daß eine Außenverzahnung mit einer axialen Hinterstellung (β) umformend hergestellt wird, indem ein oder mehrere profilierte Umformwerkzeuge im Bezug zum Werkstück eine rotatorisch abwälzende und zum Werkstück hin zustellende Bewegung ausführen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 weiter umfassend den Schritt des Anbringens eines dachförmigen Einlaufwinkels (α), wobei das Zahnrad während der Umformung um die Rotationsachse X rotiert und das mit dem Werkstück in Eingriff befindliche Werkzeug mindestens eine radiale und/oder eine axiale Zustellbewegung zum Werkstück hin ausführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Rohling an der zu verformenden Stelle im Querschnitt entweder kreisrund ist oder vorgeformte Zähne mit axial konstantem Querschnitt aufweisen kann.

4. Vorrichtung zur Herstellung einer Kupplungsverzahnung an einem einteiligen Getrieberad, wobei die Formgebung am hinterschnittenen Bereich durch Umformen erfolgt, umfassend:

- eine Spanneinrichtung (22, 24) zur Halterung eines Zahnradrohlings drehbar um eine Rotationsachse (X)
- mindestens eine erste Zustelleinrichtung zum Anbringen mindestens eines Umformwerkzeuges (26), die geeignet ist, eine radiale und/oder axiale Zustellbewegung bezüglich der Rotationsachse (X) der Spanneinrichtung auszuführen;
- mindestens ein erstes Umformwerkzeug (26) zum Formen der Verzahnung im hinterschnittenen Bereich des Zahnrades, das während des Umformverfahrens translatorisch entlang eines Weges senkrecht zur Rotationsachse (X) und oder rotatorisch um eine Achse parallel zur Rotationsachse (X) bewegbar ist
- und mindestens eine Antriebsvorrichtung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiter umfassend

- mindestens eine zweite Zustelleinrichtung zum Anbringen mindestens eines zweiten Umformwerkzeugs (30), die geeignet ist, eine radiale und/oder axiale Zustellbewegung bezüglich der Rotationsachse (X) der Spanneinrichtung auszuführen;
- mindestens ein zweites Umformwerkzeug (30) zum Formen eines dachförmigen Einlaufbereiches an der Kupplungsverzahnung.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebsvorrichtung den Zahnradrohling (10) antreibt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebsvorrichtung das/die Umformwerkzeug(e) (26, 30) antreibt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 8, weiter umfassend eine Synchronisationseinrichtung für die Antriebsvorrichtungen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das/die erste(n) Umformwerkzeug(e) (26) und/oder das/die zweite(n) Umformwerkzeug(e) (30) mindestens eine profilierte Walze, Hohlwalze oder Zahnstange ist/sind.