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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads mit einer Verzahnung, wobei die Zähne zumindest einen axialen Hinterschnitt aufweisen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Zahnrad, das durch ein solches Verfahren hergestellt wurde.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren bekannt, die zur Herstellung von Zahnrädern mit axialen Hinterschnitten an den Zähnen angewendet werden können. Dabei wird im Stand der Technik insbesondere zwischen spanabhebenden und spanlosen Verfahren unterschieden. Ein spanabhebendes Verfahren wird beispielsweise in der Druckschrift
DE 34 08 065 C1 offenbart. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein spanloses Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern mit axialem Hinterschnitt, das insbesondere zur Herstellung von Gangrädern mit zumindest einer Kupplungsverzahnung und zumindest eine Laufverzahnung vorteilhaft angewendet werden kann. Ein spanloses Herstellungsverfahren für eine solche Kupplungsverzahnung wird beispielsweise in der Druckschrift
DE 10 2011 088 864 A1 offenbart.
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Bei derartigen Gangrädern ist die Laufverzahnung häufig derart ausgebildet, dass die Zähne der Kupplungsverzahnung nur von einer Seite für eine Schmiedewerkzeugt axial zugänglich sind. Zur Herstellung eines solchen Gangrads wird typischerweise zunächst ein warmgepresster Rohling ohne Hinterschnitte bereitgestellt. Anschließend werden im Rahmen eines Kalibriervorgangs radial schließende Schiebeelemente (entformbare Werkzeuge) eingesetzt, um die gewünschten axialen Hinterschnitte an den Zähnen bzw. an den Zahnflanken auszubilden. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines solchen Umformwerkzeugs mit radial schließenden Schiebeelementen zur Ausbildung von axialen Hinterschnitten an Kupplungsverzahnungen.
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Derartige Schiebewerkzeuge stellen dabei vergleichsweise komplexe Elemente dar, aufgrund dessen sich eine gewisse Fehleranfälligkeit solcher Schiebewerkzeuge ergibt. Auch bringt die Teilung des Schmiedewerkzeugs in axial bewegliche Teile und radial bewegliche Teile eine gewisse Fehleranfälligkeit hinsichtlich der Produktionsgenauigkeit mit sich.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein einfacheres Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads mit einer Verzahnung bereitzustellen, wobei an den Zähnen zumindest ein axialer Hinterschnitt vorgesehen ist.
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Diese und andere Aufgaben, die beim Lesen der folgenden Beschreibung noch genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads mit einer Rotationsachse und mit zumindest einer Verzahnung (insbesondere einer Schaltverzahnung), bei dem die Zähne an ihren Zahnflankenseiten zumindest einen axialen Hinterschnitt aufweisen, umfasst zumindest die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Rohlings mit einer Verzahnung, wobei die Zähne derart gekippt zu der Rotationsachse des Zahnrads, bereitgestellt sind, dass ein Umformwerkzeug durch eine axiale Linearbewegung entlang der Rotationsachse im Wesentlichen vollständig in die Zahnflankenseiten der Zähne vordringen kann, wobei an den Zahnflankenseiten bereits eine Vorform des zumindest einen axialen Hinterschnitts vorgesehen sein kann; Durchführen einer ersten axialen Umformung in Form eines ersten axialen Schmiedeschlags, mit dem an den Zahnflankenseiten eine Vorform des zumindest einen axialen Hinterschnitts eingebracht wird oder eine bereits vorhandene Vorform eines axialen Hinterschnitts auf Genauigkeit kalibriert wird; Durchführen einer zweiten Umformung in Form eines zweiten Schmiedeschlags, mit dem die Zähne der Verzahnung derart gebogen werden, dass die Zähne, vorzugsweise zurück in die Vertikale, gebogen werden, so dass an den Zahnflankenseiten der zumindest eine axiale Hinterschnitt bereitgestellt wird. Die Umformungen werden allgemein mit einem (Kalt-, Halbwarm- und/oder Warm-) Umformvorgang durchgeführt.
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Mit anderen Worten schlägt die vorliegende Erfindung vor, zunächst einen Rohling bereitzustellen (mit oder ohne entsprechender Hinterschnittvorformen), der derart zur Bewegung des Umform- bzw. Schmiedewerkzeugs abgeschrägt bzw. gekippt angeordnete Zähne aufweist, dass ein entsprechendes Werkzeug an einer Zahnflankenseite durch eine axiale Linearbewegung entlang bzw. parallel zu der Rotationsachse bewegt werden kann. Die Zähne sind also derart zur Vertikalen bzw. Rotationsachse geneigt ausgebildet, dass die Zahnflankenseiten für ein axial bewegtes Werkzeug frei zugänglich sind. Mit einer ersten axialen Umformung, einem ersten axialen Schmiedeschlag, wird dann eine axiale Hinterschnittvorform an den in der abgeschrägten Positionierung frei zugänglichen Zahnflankenseiten eingeformt bzw. wird eine bereits bereitgestellte Hinterschnittvorform auf Genauigkeit kalibriert. Mit Hilfe des zweiten Schmiedeschlags werden die Zähne (bzw. vorzugsweise der gesamte Teilbereich an dem die Zähne angeordnet sind; also das Zahnrad) dann quasi zurück in die Vertikale (vorzugsweise eine Parallele zur Rotationsachse des Zahnrads) gebogen, so dass der eigentliche axiale Hinterschnitt bereitgestellt wird. Die vorliegende Erfindung schlägt also im Ergebnis vor, die Zähne zunächst quasi zum Umform- bzw. Schmiedewerkzeug „hin geklappt” bereitzustellen, so dass der spätere axiale Hinterschnitt an den Zähnen durch ein axial bewegtes Werkzeug eingebracht und durch ein Zurückklappen des Zahnrads der axiale Hinterschnitt schließlich bereitgestellt werden kann.
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Unter dem Begriff axial ist dabei eine Orientierung zu verstehen, die parallel zur Rotationsachse des Zahnrads verläuft. Demgegenüber ist unter dem Begriff radial eine Orientierung zu verstehen, die rechtwinklig zur Rotationsachse des Zahnrads und bevorzugt von der Rotationsachse ausgehend verläuft. Die vorliegende Erfindung erlaubt es somit, einen axialen Hinterschnitt an den Zähnen auszubilden, dabei jedoch nur axiale Linearbewegungen durch die Umformwerkzeuge vornehmen zu müssen. Im Vergleich zu den bekannten radialen Schiebewerkzeugen zur Ausbildung von axialen Hinterschnitten, ist das vorliegende Verfahren werkzeugseitig wesentlich weniger komplex und benötigt insbesondere keine mehrteiligen, also entformbaren Umform- bzw. Schmiedewerkzeuge.
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Vorzugsweise werden die Zähne am Rohling mit einem Winkel größer 10°, vorzugsweise größer 15° und besonders bevorzugt mit einem Winkel von etwa 18° abgeschrägt zu einer Vertikalen bzw. gekippt zur Rotationsachse bereitgestellt. In diesen Winkelbereichen sind die Zähne in der Regel ausreichend genug abgewinkelt, so dass das Schmiedewerkzeug zwischen die Zähne des Zahnrads hinterschnittfrei axial bewegt werden kann. Nach der Durchführung der zweiten Umformung in Form eines zweiten Schmiedeschlags, weisen die Zähne zumindest einen axialen Hinterschnitt mit einem Hinterschnittwinkel zwischen 1,0° und 5,0°, vorzugsweise zwischen 1,5° und 3,5° und besonders bevorzugt von etwa 2° zur Rotationsachse bzw. zur mit der Rotationsachse parallel verlaufenden Vertikalen auf.
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Vorzugsweise ist die Verzahnung eine Außenverzahnung. Ferner ist es bevorzugt, dass das Zahnrad ein Kupplungszahnrad ist, insbesondere ein Gangrad, vorzugsweise mit zumindest einer Kupplungsverzahnung und zumindest einer Laufverzahnung (vgl. 2). Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung auch besonders bevorzugt bei Schaltmuffen eingesetzt werden. Bei derartigen Zahnrädern sind die Zähne häufig nur von einer Bauteilseite her für ein Schmiedewerkzeug axial zugänglich, da auf der anderen axialen Seite häufig weitere (Konstruktions-)Elemente, wie beispielsweise eine Laufverzahnung, angeordnet sind. Daher kann die vorliegende Erfindung gerade bei derartigen Zahnrädern besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Zahnräder beschränkt.
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Vorteilhafterweise wird der Rohling durch ein Warmpressverfahren, insbesondere durch ein Schmiedepressen, bereitgestellt. Darüber hinaus werden der erste und/oder der zweite Schmiedeschlag vorzugsweise als Kaltkalibrierschläge ausgeführt. Es ist allerdings auch möglich sowohl den Rohling durch ein Halbwarmverfahren bereitzustellen als auch die weiteren Umformungen in einem Halbwarmverfahren durchzuführen. Schließlich ist es bevorzugt, dass das Zahnrad als integraler Monoblock ausgebildet ist.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Kupplungszahnrad, insbesondere ein Gangzahnrad, das nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde.
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Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung der Figuren gegeben. Darin zeigt:
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1 eine schematische Ansicht eines im Stand der Technik bekannten Schmiedewerkzeugs mit radial schließenden Schiebeelementen zur Ausbildung von axialen Hinterschnitten an Kupplungsverzahnungen;
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2 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zahnrads in Form eines Gangrads, das mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde;
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3 eine schematische Querschnittsansicht eines Teils des in 2 gezeigten Kupplungszahnrads;
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4 eine schematische Seitenansicht in radialer Blickrichtung des in 3 gezeigten Kupplungszahnrads;
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5 eine schematische Draufsicht in axialer Blickrichtung des in 3 gezeigten Kupplungszahnrads;
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6 eine schematische Ansicht in schräger Blickrichtung des in 3 gezeigten Kupplungszahnrads; und
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7 eine schematische Querschnittsansicht des in 3 gezeigten Kupplungszahnrads mit „hochgeklappten” Zähnen.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines im Stand der Technik bekannten Schmiedewerkzeugs mit radial schließenden Schiebeelementen zur Ausbildung von axialen Hinterschnitten, insbesondere an Kupplungsverzahnungen eines Gangrads.
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2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zahnrads in Form eines Gangrads 100, das mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
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Das Gangrad 100 ist als integraler Monoblock hergestellt und umfasst eine Laufverzahnung 101 und eine Kupplungsverzahnung 102. Wie in 2 gut zu erkennen ist, ist die Kupplungsverzahnung 102 in axialer Richtung nur von der der Laufverzahnung 101 gegenüberliegenden Seite her zugänglich, so dass jedenfalls durch ein nur axial bewegtes Umformwerkzeug – (ein Schmiedewerkzeug) keine entsprechenden Hinterschnitte oder Hinterlegungen an der Kupplungsverzahnung 102 angeformt werden können. Zur Ausbildung eines Hinterschnitts bzw. einer Hinterlegung konnte bisher auf die in 1 gezeigten radial schließenden Schiebelemente zurückgegriffen werden.
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Die 3 bis 6 zeigen Teilansichten des in 2 gezeigten Gangrads 100 mit axialen Hinterschnitten 104 an der Kupplungsverzahnung 102. Wie in 3 gezeigt, ist die Kupplungsverzahnung 102 des fertigen Gangrads 100 vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Vertikalen 103 angeordnet, die parallel zur Rotationsachse 106 des Gangrads 100 verläuft.
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Wie 5 entnehmbar, welches eine axiale Blickrichtung auf die Verzahnung 102 gemäß 3 zeigt, können die axialen Hinterschnitte 104 allerdings nicht durch ein ausschließlich axial bewegtes Schmiedewerkzeug bereitgestellt werden. Es hat sich herausgestellt, dass bei einem gewissen schrägen Blickwinkel auf die Zähne bzgl. der Rotationsachse 106 (vgl. 6: schräger Blickwinkel auf die Verzahnung 102 gemäß 3; Winkel nicht maßstabsgetreu) man entlang der hinterschnittenen Zahnflanken blicken kann. Allerdings kann ein Schmiedewerkzeug nicht entsprechend entlang einer quasi kegelförmigen Bewegungsstrecke zum Kalibrierschlag wirkungsvoll bewegt werden. Denn erst ab einer gewissen Neigung/Kippung eines Schmiedewerkzeugs zur Kupplungsverzahnung 102 könnten die axialen Hinterschnitte 104 in dieser Schräganordnung quasi hinterschnittfrei hergestellt werden (vgl. 6), da in einer solchen Schräganordnung ein Schmiedewerkzeug im Wesentlichen vollständig entlang der Zahnflanken der Kupplungsverzahnung 102 vordringen und wieder heraus bewegt werden könnte. Allerdings müsste das Werkzeug aufgrund der umlaufend vorgesehenen Zähne sowie der eigenen Pressrichtung je Zahn segmentiert bereitgestellt werden. Zudem müsste eine mehrdirektionale Presse verwendet werden, was einen erheblichen Herstellungsaufwand bedeutet.
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Um sich diese neu gewonnene Erkenntnis zu Nutze zu machen, schlägt die vorliegende Erfindung nunmehr vor, in einem ersten Schritt den in 7 gezeigten (Zahnrad-)Rohling 110 bereitzustellen. Am Rohling 110 ist zumindest bereits eine Vorform der Kupplungsverzahnung 102 vorgesehen, wobei an der Kupplungsverzahnung 102 auch schon Vorformen von axialen Hinterschnitten bereitgestellt sein können. Der Rohling 110 wird vorzugsweise durch ein Warmumformverfahren hergestellt, beispielsweise einem Warmpressverfahren, wie dem Schmiedepressen.
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Mit anderen Worten wird die Kupplungsverzahnung 102 zunächst gekippt, in der gezeigten Darstellung quasi „hochgeklappt”, bereitgestellt, und zwar derart, dass ein Schmiedewerkzeug durch eine axiale Linearbewegung (angedeutet durch den Pfeil 105) im Wesentlichen vollständig an den Zahnflankenseiten der Kupplungsverzahnung 102 vordringen kann. Es wird somit in axialer Richtung auf das Zahnrad gesehen der zuvor beschriebene „schräge” Blickwinkel umlaufend bereitgestellt.
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Vorzugsweise werden die Zähne am Rohling 110 mit einem Winkel größer 10°, vorzugsweise größer 15° zur vertikalen Rotationsachse 106 geneigt bereitgestellt. Besonders bevorzugt werden die Zähne mit einem Winkel von etwa 18° geneigt zur Rotationsachse bereitgestellt. Wie in 7 gut zu erkennen ist, ist dies der Winkel der zwischen der axialen Linearbewegung des Schmiedewerkzeugs (vgl. Pfeil 105) und den Symmetrieachsen 103' der Zähne der Kupplungsverzahnung 102 eingeschlossen wird.
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Durch eine erste axiale Umformung, ein erster axialer Schmiedeschlag (vgl. Pfeil 105), besonders bevorzugt ein Kaltkalibrierschlag, können nunmehr die späteren Hinterschnitte 104 hinterschnittfrei an den Zahnflankenseiten der Zähne der Kupplungsverzahnung 102 eingebracht oder auf Genauigkeit (nach-)kalibriert werden (soweit der Rohling bereits mit entsprechenden Vorformen bereitgestellt wurde).
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In einem weiteren Schritt werden die Zähne der Kupplungsverzahnung 102 (bzw. der Bereich, an dem die Kupplungsverzahnung 102 vorgesehen ist) durch eine zweiten Umformung, ebenfalls vorzugsweise ein Kaltkalibrierschlag, aus der in 7 gezeigten Anordnung in die in 3 gezeigte Anordnung gebogen. Dabei wird die Kupplungsverzahnung 102 vorzugsweise so gebogen (in der gezeigten Darstellung heruntergebogen), dass die Symmetrieachsen 103' der Zähne mit der in 3 gezeigten Vertikalen 103 zusammenfällt, so dass die Symmetrieachsen 103' im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Gangrads 100 vorliegen. Wegen elastischen Verhaltens des Materials beim Umbiegen ist gegebenenfalls ein Zurückbiegen um einen Winkel größer als der vorbezeichnete Kippwinkel notwendig, um die Zähne in die gewünschte Position zu bringen.
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Nach der Durchführung der zweiten Umformung bzw. des zweiten Schmiedeschlags weisen die Zähne der Kupplungsverzahnung 102 zumindest einen axialen Hinterschnitt 104 vorzugsweise mit einem Hinterschnittwinkel zwischen 1,0° und 5,0°, besonders bevorzugt zwischen 1,5° und 3,5° und weiterhin bevorzugt von etwa 2° zur Rotationsachse 106 bzw. zu einer mit der Rotationsachse 106 parallelen Vertikalen 103 auf. Unter einem Hinterschnittwinkel ist dabei der Winkel zwischen einer Zahnflankenseite und der Rotationsachse 106 (die parallel zur gezeigten Vertikalen 103 verläuft) zu verstehen. Der Hinterschnitt 104 ist in 4 deutlich zu erkennen, die eine radiale Blickrichtung auf die Verzahnung 102 gemäß 3 zeigt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren besteht somit die Möglichkeit axiale Hinterschnitte 104 in Zähnen einzuformen, ohne dabei auf radial schließende Schieberelemente zurückgreifen zu müssen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das vorhergehende beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, solange sie vom Gegenstand der folgenden Ansprüche umfasst ist. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung nicht auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gangrads beschränkt. Auch beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf Zahnräder mit Außenverzahnungen.
