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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf gestapelte Planetenradsätze und insbesondere auf Verfahren zum Herstellen einer Komponente eines gestapelten Planetenradsatzes.
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HINTERGRUND
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Die Aussagen in diesem Abschnitt bieten lediglich Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung und können, müssen jedoch nicht Stand der Technik bilden.
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Moderne Kraftfahrzeugautomatikgetriebe nutzen üblicherweise eine Mehrzahl von Planetenradanordnungen, die hintereinander angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Kupplungen und Bremsen, die in Übereinstimmung mit einem Steuerschema auf Elemente der Planetenradanordnungen wirken, um eine Folge von Vorwärtsgängen oder -drehzahlverhältnissen sowie einen Rückwärtsgang bereitzustellen.
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In bestimmten Anwendungen ist es erwünscht, dass zwei Planetenradanordnungen konzentrisch oder nahezu konzentrisch in einer axialen Ebene angeordnet sind. Eine solche Konfiguration wird als ”gestapelt” bezeichnet. Eine gestapelte Planetenradanordnung stellt in einer sehr kompakten Packung eine wesentliche Übersetzungsverhältnisflexibilität bereit. Üblicherweise erfordert eine solche gestapelte Planetenradanordnung eine Mittel- oder Zwischenkomponente, die eine Kombination aus dem Hohlrad (dem Außenrad) der inneren Planetenradanordnung und dem Sonnenrad (dem Innenrad) der äußeren Planetenradanordnung ist.
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Leider haben Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Herstellung der Zwischenkomponente oder des Kombinationszahnrads die Verfügbarkeit und somit die Verwendung gestapelter Planetenradanordnungen beschränkt. Zum Beispiel erfordert das Kombinationszahnrad, das vorzugsweise einen dünnen Querschnitt aufweist, üblicherweise die Bildung eines Präzisionsschrägstirnrads sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite der Komponente. Außerdem muss die Komponente ebenfalls eine Wärmebehandlung erfahren, wobei die durch diese Wärmebehandlung herbeigeführten Dimensionsänderungen und Geometrieänderungen sowohl minimal als auch minimiert sein müssen, falls die Komponente Funktionsanforderungen erfüllen soll.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft verbesserte Verfahren zum Herstellen eines Zwischen-, Mittel- oder Kombinationszahnrads für eine gestapelte Planetenradanordnung. Ein erstes Verfahren zum Herstellen einer kerbverzahnten Anordnung, in der die Zahnräder in derselben axialen Ebene liegen, umfasst das Bilden einer Außenkerbverzahnung an der Außenoberfläche des Innenrads (Hohlrads) und einer Innenkerbverzahnung an der Innenoberfläche des Außenrads (Sonnenrads). Daraufhin werden die Zahnräder getrennt wärmebehandelt und in den Planetenradträgern montiert. Ein zweites Verfahren nutzt eine Stirnverzahnung oder Stirnvorsprünge, um Zahnräder zu koppeln, die in verschiedenen axialen Ebenen liegen (axial versetzt sind), und umfasst das Räumen einer Innenkerbverzahnung in dem Außenrad (Sonnenrad) sowie das Stirnfräsen, Räumen oder Mehrkantdrehen einer Stirnverzahnung an einem Ende des Außenrads und an einem gegenüberliegenden, benachbarten Ende des Innenrads (Hohlrads). Daraufhin werden die Zahnräder wärmebehandelt und, vorzugsweise mit einer leichten Presspassung, montiert. Ein drittes Verfahren schafft ein axial versetztes Kombinationszahnrad. Das Innen- und das Außenrad werden hergestellt und wärmebehandelt. Nach der Wärmebehandlung wird ein kleiner Bereich des gehärteten Gehäuses, z. B. durch maschinelle Bearbeitung, entfernt. Daraufhin werden die Zahnräder aneinander angepasst, durch einen Impuls von elektrischem Strom schnell erwärmt und in dem erwärmten Gebiet gestaucht. Alternativ können die Zahnräder durch Hartlöten aneinander befestigt werden.
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Somit ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung die Schaffung verschiedener Verfahren zum Herstellen und Montieren eines Kombinationszahnrads für eine gestapelte Planetenradanordnung.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen eines Kombinationszahnrads, das das Bilden von Kerbverzahnungen an der Außenoberfläche des Innenrads und an der Innenoberfläche des Außenrads, das Wärmebehandeln der Zahnräder und ihr Montieren in den Planetenradträgern enthält.
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Ein nochmals weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen eines Kombinationszahnrads, das das Räumen einer Innenkerbverzahnung in dem Außenrad sowie das Stirnfräsen, Räumen oder Mehrkantdrehen einer Stirnverzahnung an einem Ende des Außenrads und an einem gegenüberliegenden, benachbarten Ende des Innenrads enthält.
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Ein nochmals weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen eines Kombinationszahnrads, das das Bilden eines Innen- und eines Außenrads, ihr Erwärmen, das Entfernen eines kleinen Bereichs des gehärteten Gehäuses, das aneinander Anpassen der Zahnräder, ihr schnelles Erwärmen durch einen Impuls von elektrischem Strom und ihr Stauchen in dem erwärmten Gebiet enthält.
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Ein nochmals weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen eines Kombinationszahnrads, das das Bilden eines Innen- und eines Außenrads, ihre Wärmebehandlung, das Entfernen eines kleinen Bereichs des gehärteten Gehäuses, das aneinander Anpassen der Zahnräder und ihr Zusammenlöten durch Hartlöten enthält.
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Weitere Aspekte, Vorteile und Bereiche der Anwendbarkeit gehen aus der hier gegebenen Beschreibung hervor. Selbstverständlich sollen die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur zur Veranschaulichung dienen und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
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ZEICHNUNGEN
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Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
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1 ist eine Vollquerschnittsansicht einer gestapelten Planetenradanordnung, die eine Kombination aus einem Sonnenrad und einem Hohlrad enthält;
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2A ist eine schematische Seitenaufrissansicht der zum Herstellen eines Kombinationszahnrads in Übereinstimmung mit einem ersten Verfahren genutzten Komponentenzahnradteile in einer Konfiguration vor der Montage.
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2B ist eine schematische Seitenaufrissansicht eines in Übereinstimmung mit einem ersten Verfahren hergestellten Kombinationszahnrads;
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3A ist eine schematische Seitenaufrissansicht der zum Herstellen eines Kombinationszahnrads in Übereinstimmung mit einem zweiten Verfahren genutzten Komponentenzahnradteile in einer Konfiguration vor der Montage;
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3B ist eine schematische Stirnaufrissansicht eines in Übereinstimmung mit einem zweiten Verfahren hergestellten Sonnenrads;
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3C ist eine schematische Seitenaufrissansicht eines in Übereinstimmung mit einem zweiten Verfahren hergestellten Kombinationszahnrads;
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4A ist eine schematische Seitenaufrissansicht der zum Herstellen eines Kombinationszahnrads in Übereinstimmung mit einem dritten Verfahren genutzten Komponentenzahnradteile in einer Konfiguration vor der Montage;
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4B ist eine schematische Seitenaufrissansicht eines in Übereinstimmung mit einem dritten Verfahren hergestellten Kombinationszahnrads; und
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4C ist eine schematische Seitenaufrissansicht der zum Herstellen eines Kombinationszahnrads durch Hartlöten in Übereinstimmung mit einem dritten Verfahren genutzten Komponentenzahnradteile.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, die vorliegenden Anwendungen oder die vorliegenden Verwendungen nicht einschränken.
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In 1 ist eine typische und beispielhafte gestapelte, versetzte Planetenrandanordnung dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die gestapelte, versetzte Planetenrandanordnung 10 enthält eine erste oder innere Planetenradanordnung 20 mit einem ersten Sonnenrad 22, das mit einem Hohlwellen-, Naben- oder anderen Element 23 gekoppelt und durch dieses angetrieben werden kann, und einen ersten Planetenradträger 24, der Wellen und Wälzlager 25 enthält, die eine Mehrzahl (drei oder mehr) erster Planetenräder oder -ritzel 26 (von denen eines in 1 dargestellt ist) drehbar stützen. Eine Welle, eine Hohlwelle oder ein anderes Element 28 ist mit einem Naben- oder Antriebselement 29 gekoppelt, das wiederum mit einem Kombinationszahnrad 30 gekoppelt ist, das ein Innenrad oder erstes Hohlrad 32, das Zähne 34 aufweist, und ein Außenrad oder zweites Sonnenrad 36, das Zähne 38 aufweist, aufweist. Die erste Mehrzahl von Planetenrädern oder -ritzeln 26 steht in ständigem Kämmen sowohl mit dem ersten Sonnenrad 22 als auch mit den Zähnen 34 des ersten Hohlrads 32.
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Außerdem enthält die gestapelte, versetzte Planetenradanordnung 10 eine zweite Planetenradanordnung oder Außenplanetenradanordnung 40, die das zweite Sonnenrad 36 und seine Zähne 38, einen zweiten Planetenradträger 42, der Wellen und Wälzlager 43 enthält, die eine zweite Mehrzahl (dreier oder mehrerer) Planetenräder oder -ritzel 44 (von denen eines in 1 dargestellt ist) drehbar stützen, und ein zweites Hohlrad 46 enthält. Die zweite Mehrzahl von Planetenrädern oder -ritzeln 44 steht in ständigem Kämmen sowohl mit dem zweiten Sonnenrad 36 und mit seinen Zähnen 38 als auch mit dem zweiten Hohlrad 46. Das zweite Hohlrad 46 ist durch einen ineinandergreifenden Kerbverzahnungssatz 54 an einer Nabe oder an einem ähnlichen Element 52 geführt und mit ihr bzw. ihm gekoppelt. Das zweite Hohlrad 46 kann andere Komponenten (nicht dargestellt) antreiben oder durch sie angetrieben werden oder kann feststehend und zu einem Gehäuse (ebenfalls nicht dargestellt) auf Masse festgelegt sein.
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Nun in 2A und 2B umfasst das Kombinationszahnrad 30 das erste Hohlrad 32 und das zweite Sonnenrad 36, die durch ein in 2A dargestelltes erstes Verfahren hergestellt worden sind, in einer Konfiguration vor der Montage. Dieses erste Verfahren schafft ein Kombinationszahnrad 30, in dem das erste Hohlrad 32 und das zweite Sonnenrad 36 in derselben oder im Wesentlichen in derselben axialen Ebene liegen. Das erste Hohlrad 32 weist an seiner Außenoberfläche eine Außenkerbverzahnung 62 auf, die eng zu einer Innenkerbverzahnung 64 an der Innenoberfläche des zweiten Sonnenrads 36 passt. Zur maschinellen Bearbeitung der Kerbverzahnungen 62 und 64 werden herkömmliche Zahnradwälzfräse- und Zahnradräumprozesse genutzt, wobei die Kerbverzahnungen 62 und 64 entweder für eine Gleitpassung oder eine leichte Übermaßpassung bemessen sein können. Daraufhin werden die Zahnräder 32 und 36 durch Härten und Anlassen mit den Wärmebehandlungsprozessen, die optimiert sind, um eine minimale Verwerfung und Dimensionsänderung sowohl des ersten Hohlrads 32 als auch des zweiten Sonnenrads 36 zu erzeugen, getrennt wärmebehandelt. Daraufhin werden die Zahnräder 32 und 36, wie in 2B dargestellt ist, an ihren Planetenträger angepasst und an ihm montiert. Es wird gewürdigt werden, dass das erste Verfahren bei der vollen (axialen) Länge der Kerbverzahnungen 62 und 64 für die Herstellung eines Kombinationszahnrads 30, in dem das erste Hohlrad 32 und das zweite Sonnenrad 36 in derselben oder im Wesentlichen in der derselben Ebene liegen, d. h. dieselbe axiale Position teilen, am besten geeignet ist.
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Nun anhand von 3A, 3B und 3C schafft ein zweites Verfahren der vorliegenden Erfindung ein Kombinationszahnrad 30', in dem ein erstes Hohlrad 32' von einem zweiten Sonnenrad 36' axial versetzt ist. Diese Konfiguration ermöglicht den Austausch von radialem Platz gegen axialen Versatz, d. h., die Zahnräder 32' und 36' können im Verhältnis zu der Konfiguration in 2A und 2B in der radialen Richtung kompakter sein, was bestimmte Entwurfsanforderungen besser erfüllen kann.
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In 3A sind das erste Hohlrad 32' und das zweite Sonnenrad 36' in einer Konfiguration vor der Montage gezeigt. Wie in 3B dargestellt ist, weist das zweite Sonnenrad 36' eine Mehrzahl, z. B. vier, sechs, acht oder mehr, geräumte Innenkerbzähne, Schlitze oder Kanäle 64' auf, die größere Zähne 66 mit quadratischen Seiten enthalten, in die eine gleiche Mehrzahl speziell hergestellter Außenkerbzähne oder Vorsprünge 68 mit einer speziell hergestellten Flächengeometrie passen. Die Kerbverzahnung 68 mit der Flächengeometrie kann durch Stirnfräsen, Räumen oder Mehrkantdrehen hergestellt werden. Außerdem enthält das zweite Sonnenrad 36' einen Innenumfangskanal oder eine Innenumfangsnut 70, die den Sprengring 50 aufnimmt, der das Verbindungselement 48 hält. Außerdem enthält das erste Hohlrad 32' eine Außenkerbe oder -schulter 72, die mit dem zweiten Sonnenrad 36' an dem ersten Hohlrad 32' in Eingriff ist und sich bei ihm befindet. Vor der Montage werden das erste Hohlrad 32 und das zweite Sonnenrad 36' wärmebehandelt, d. h. wie oben angemerkt gehärtet und angelassen. Das zweite Sonnenrad 36' wird wie in 3C dargestellt mit einer leichten Presspassung an dem ersten Hohlrad 32' montiert und anschließend durch den Einbau in eine gestapelte Planetenradanordnung wie etwa die Anordnung 10 in dieser Konfiguration gehalten.
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Entweder in dem Verfahren aus 2A und 2B oder in dem aus 3A, 3B und 3C kann ein physikalisches Haltemittel genutzt werden, um die geforderte relative Position der zwei Zahnräder in Ansprechen auf axiale Trennkräfte aufrechtzuerhalten, wenn dies erforderlich ist, um Entwurfsanforderungen zu genügen. Solche Mittel können Federstahlhalteringe, gebildete Stauchung der zueinander passenden Zahnradzähne oder physikalische Stufen enthalten, wie sie von dem Entwurf gefordert werden.
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Nun anhand von 4A und 4B schafft ein drittes Verfahren der vorliegenden Erfindung ein Kombinationszahnrad 30'', in dem ein erstes Hohlrad 32'' von einem zweiten Sonnenrad 36'' axial versetzt ist und die Zahnräder 32'' und 36'' durch elektrische Widerstandsheizung und Schweißen oder Hartlöten montiert werden. Wie in 4A dargestellt ist, enthält das zweite Sonnenrad 36'' eine glatte Innenoberfläche 82 und einen ringförmigen Vorsprung 84 an einem Ende mit einem vorzugsweise dreieckigen Querschnitt. Das erste Hohlrad 32'' enthält eine komplementäre Schulter oder einen komplementären Abschnitt 86 mit verringertem Durchmesser und eine komplementäre ringförmige Aussparung 88 mit einem gleichen Nenndurchmesser wie der Vorsprung 84. Außerdem enthält das erste Hohlrad 32'' eine glatte Außenoberfläche 92.
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Nach der Herstellung werden die Zahnräder 32'' und 36'' mit den für die Herstellung einer minimalen Verwerfung und Dimensionsänderung optimierten Wärmebehandlungsprozessen getrennt durch Härten und Aushärten wärmebehandelt. Daraufhin werden durch Drehen auf einer Drehbank oder durch einen ähnlichen Prozess kleine Abschnitte des gehärteten Gehäuses, die zu dem ringförmigen Vorsprung 84 und zu der ringförmigen Aussparung 88 benachbart sind, entfernt.
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Wie in 4B dargestellt ist, ist das zweite Sonnenrad 36'' in versetzter Beziehung in dem Abschnitt 86 mit verringertem Durchmesser des ersten Hohlrads 32'' angeordnet, wobei beide Zahnräder 32'' und 36'' in einer Maschine für elektrische kapazitive Entladung (CD) angeordnet werden. Durch die Zahnräder 32'' und 36'' wird axial ein kurzer, aber starker elektrischer Strom geleitet, der den ringförmigen Vorsprung 84 erwärmt, schmilzt und staucht und ihn mit der ringförmigen Aussparung 88 autogen verbindet (verschweißt), wodurch die Zahnräder 32'' und 36'' aneinander befestigt werden.
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Wie in 4C dargestellt ist, können die Zahnräder 32'' und 36'' alternativ durch Hartlöten miteinander verbunden werden. In diesem Prozess wird zwischen dem ringförmigen Vorsprung 84 des zweiten Sonnenrads 36'' und der Aussparung 88 des ersten Hohlrads 32'' ein komplementär konfigurierter Kreisring 96, z. B. aus einer Kupferlegierung oder aus einem ähnlichen Material, angeordnet. Durch die Zahnräder 32'' und 36'' wird axial wieder ein kurzer, aber starker elektrischer Strom geleitet, der den Legierungskreisring 96 erwärmt und schmilzt und den ringförmigen Vorsprung 84 mit der ringförmigen Anordnung 88 durch Hartlöten verlötet (verbindet), wodurch die Zahnräder 32'' und 36'' aneinander befestigt werden.
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Die Beschreibung der Erfindung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft, wobei Änderungen, die nicht vom Hauptpunkt der Erfindung abweichen, im Umfang der Erfindung liegen sollen. Solche Änderungen werden nicht als Abweichung vom Erfindungsgedanken und Umfang der Erfindung angesehen.
