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Die Erfindung betrifft ein mehrstückig, d. h. aus wenigstens zwei gefügten Einzelteilen, gebildetes Schaltrad für ein Schaltgetriebe und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Ein Schaltrad betreffender Art weist eine Laufverzahnung und eine Steck- bzw. Kupplungsverzahnung auf.
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In der
DE 10 2011 110 169 A1 ist die einstückige Herstellung eines solchen Schaltrads beschrieben. In der
DE 10 2005 028 004 B4 ist die mehrstückige Herstellung eines solchen Schaltrads beschrieben, das aus dem eigentlichen Schaltrad und einem als Ringteil ausgebildeten Kupplungskörper mit der Steckverzahnung besteht. Der Kupplungskörper wird auf einen Ringfortsatz des Schaltrads aufgepresst. Nachfolgend wird der Kupplungskörper zumindest segmentweise mit dem Schaltrad verschweißt oder gegebenenfalls auch verlötet. Das Schweißen oder Löten erfordert jedoch große Sorgfalt. Zum Stand der Technik wird ergänzend auch noch auf die
DE 10 2011 076 656 A1 hingewiesen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltrad betreffender Art anzugeben, das einfacher und insbesondere auch mit besserer Qualität hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Schaltrad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
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Das erfindungsgemäße Schaltrad, wobei es sich insbesondere um ein sogenanntes Losrad handelt, ist mehrstückig ausgebildet und weist zumindest einen Radkörper mit einer Laufverzahnung und einen ringartigen Kupplungskörper mit einer Steckverzahnung auf, wobei der Kupplungskörper auf einen axial vorstehenden Ringfortsatz des Radkörpers aufgesteckt, insbesondere aufgepresst, und mit diesem Ringfortsatz durch eine Schweißnaht gefügt ist. Gleichwirkend kann es sich auch um eine Lötnaht handeln. Dadurch sind der Radkörper und der Kupplungskörper drehfest verbunden. Bei der Schweiß- bzw. Lötnaht kann es sich um eine durchgängige oder auch um eine abgesetzte, d. h. aus mehreren Teilnähten gebildete Naht handeln.
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Die Erfindung sieht nun vor, dass am Radkörper und/oder am Kupplungskörper mehrere zur Schweißwurzel der Schweißnaht reichende bzw. von der Schweißwurzel wegführende Entgasungskanäle ausgebildet sind, durch die beim Schweißen entstandene Gase und/oder Drücke entweichen konnten.
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Beim Herstellen des Schaltrads kann der Schweißprozess, insbesondere ein Laserstrahlschweißen, schneller ausgeführt werden, so dass die Wärmeeinbringung und die damit einhergehenden Nachteile verringert werden. Ferner kann der Schweißprozess mit höherer Leistung (Laserstrahlleistung) ausgeführt werden, wodurch die Qualität der Fügeverbindung, insbesondere die Verbindungsfestigkeit, steigerbar ist. Als weiterer Vorteil zeigt sich, dass der Schweißprozess insgesamt robuster, d. h. weniger störanfällig ist. In der Serienfertigung wird dadurch der Ausschuss verringert. Ferner zeigt sich, dass die Vorbereitung des Schweißprozesses, insbesondere die Reinigung der zu fügenden Einzelteile, weniger aufwändig ist. Der Schweißprozess wird schmutzunfälliger, d. h. anhaftende Konservierungsmittel, Öle, Fette und/oder Schmutzpartikel, gegebenenfalls auch Feuchtigkeiten, wirken sich weniger nachteilig aus. In jedem Fall ist eine deutlich verbesserte Schweißnahtqualität zu erwarten, d. h. es kommt zu weniger Schweißfehlern (wie bspw. Ausspritzer, Poren, Krater, Schweißperlen und/oder Lunker).
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Der Radkörper ist bevorzugt ein aus massivem Metallmaterial, insbesondere Stahlmaterial, gebildetes Ringteil. Auch der Kupplungskörper ist bevorzugt ein aus massivem Metallmaterial, insbesondere Stahlmaterial, gebildetes Ringteil. Der Kupplungskörper kann einen sich axial erstreckenden Reibkegel (Außenkonus) mit einer Reibfläche für einen Synchronring oder dergleichen aufweisen. Der Kupplungskörper kann jedoch auch ohne einen solchen Reibkegel ausgebildet sein und näherungsweise die Gestalt einer Scheibe (Kupplungsscheibe) aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsmöglichkeit ist vorgesehen, dass der Kupplungskörper an einem sich radial erstreckenden Auflagebund des Radkörpers anliegt und dass die Entgasungskanäle an diesem Auflagebund ausgebildet sind. Bei diesen Entgasungskanälen handelt es sich insbesondere um im Auflagebund ausgebildete Nuten, wobei Anzahl und Form variabel sind. Die Nuten können durch umformende oder spanende Bearbeitung hergestellt sein. Bevorzugt erstrecken sich die Nuten in radialer Richtung. Die Nuten sind bevorzugt zueinander gleichmäßig beabstandet. Der Radkörper kann einen Hinterschnitt aufweisen, der den Auflagebund in einen Innenring und einen Außenring unterteilt, wobei die Entgasungskanäle bevorzugt nur am Innenring ausgebildet sind, so dass während des Schweißprozesses die Entgasung bzw. Entlüftung über den Hinterschnitt erfolgt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsmöglichkeit ist vorgesehen, dass der Kupplungskörper an einem sich radial erstreckenden Auflagebund des Radkörpers anliegt und dass die Entgasungskanäle an der Gegenfläche des Kupplungskörpers, d. h. an dessen dem Auflagebund zugewandten Rückseite, ausgebildet sind. Bevorzugt sind diese Entgasungskanäle als Taschen oder Nuten, vorzugsweise als radial verlaufende Nuten, ausgebildet, die insbesondere nur bis zu einem den Auflagebund des Radkörpers unterteilenden Hinterschnitt reichen.
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Die beiden vorausgehend beschriebenen Ausführungsmöglichkeiten sind ausdrücklich auch miteinander kombinierbar. Die optimale Anzahl, Anordnung und Ausgestaltung der Entgasungskanäle an einem erfindungsgemäßen Schaltrad kann, insbesondere unter Berücksichtigung konstruktiver und/oder verfahrenstechnischer Bedingungen, durch Versuche und/oder Simulationen ermittelt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mehrstückigen Schaltrads, das wenigstens einen Radkörper mit einer Laufverzahnung und einen ringartigen Kupplungskörper mit einer Steckverzahnung aufweist, wobei der Kupplungskörper drehfest mit dem Radkörper verbunden werden soll, umfasst die Schritte:
- – Aufstecken und insbesondere Aufpressen des Kupplungskörpers auf einen am Radköper ausgebildeten Ringfortsatz; und
- – Verschweißen, insbesondere durch Laserstrahlschweißen, des Kupplungskörpers mit dem Ringfortsatz des Radkörpers, wobei beim Schweißen im Bereich der Schweißwurzel entstehende Gase und/oder Drücke durch mehrere am Radkörper und/oder am Kupplungskörper ausgebildete und von der Schweißwurzel wegführende Entgasungskanäle entweichen können.
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Bevorzugt sind der Radkörper und/oder der Kupplungskörper gemäß den vorausgehenden oder auch nachfolgenden Erläuterungen ausgebildet. Bei dem herzustellenden Schaltrad handelt es sich in insbesondere um ein erfindungsgemäßes Schaltrad.
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Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner den vorausgehenden Schritt:
- – Erzeugen des Radkörpers durch Schmieden und anschließendes Dreh- und/oder Fräsbearbeiten eines Rohlings, wobei bereits beim Schmieden ein Auflagebund für den Kupplungskörper gebildet und zugleich Entgasungskanäle in Gestalt von Nuten in den Auflagebund eingeformt werden, was auch bei einem Zulieferer erfolgen kann.
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Aufgrund der bereits oben erläuterten Schmutzunfälligkeit des Schweißprozesses ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verschweißen des Kupplungskörpers und des Radkörpers ohne Vorreinigung dieser Einzelteile (d. h. vorreinigungsfrei) oder zumindest mit einem reduzierten Reinigungsaufwand, bspw. nur durch Abblasen der Einzelteile (d. h. ohne Nassreinigung bzw. nassreinigungsfrei), erfolgt. Hierdurch ergeben sich Kosten- und Umweltvorteile.
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Nachfolgend werden mit Bezug auf die Figuren beispielhaft zwei Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung erläutert. In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Komponenten mit den selben Bezugszeichen versehen. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, die Erfindung weiterbilden. Ferner können die Merkmale der Ausführungsmöglichkeiten auch miteinander zu weiteren Ausführungsmöglichkeiten kombiniert werden.
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1 zeigt in mehreren Ansichten eine erste Ausführungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Schaltrads.
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2 zeigt in mehreren Ansichten eine zweite Ausführungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Schaltrads.
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1a zeigt in einer Schnittansicht ein als Losrad gestaltetes Schaltzahnrad 100, das bspw. für den Verbau in einem Kraftfahrzeug-Schaltgetriebe vorgesehen ist. Das bezüglich der Längs- bzw. Drehachse L rotationssymmetrische Schaltrad 100 ist aus zwei miteinander drehfest gefügten Einzelstücken bzw. -teilen gebildet und zwar aus einem Radkörper 110 und einem Kupplungskörper 120. Der Radkörper 110 weist eine durch eine Bohrung gebildete Nabe 111 und eine am Außenumfang ausgebildete Laufverzahnung 112 auf. Der Radkörper 110 ist ferner mit ringnutartigen Hinterschneidungen 113 und 114 sowie mit einem zapfenartigen, axial vorstehenden Ringfortsatz 115 ausgebildet. Der ringartige Kupplungskörper 120 weist einen Reibkegel 121 und eine Steckverzahnung 122 auf. Sowohl der Radkörper 110 als auch der Kupplungskörper 120 sind aus einem Metallmaterial, insbesondere einem Stahlmaterial, gefertigt. Der Pfeil R gibt die zur Längsachse L senkrecht verlaufende Radialrichtung an.
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Der mit einer passenden Innenumfangfläche 125 (siehe 2b) ausgebildete Kupplungskörper 120 ist auf den Ringfortsatz 115 des Radkörpers 110 aufgesteckt und insbesondere aufgepresst. Die axiale Relativposition ist durch einen am Radkörper 110 ausgebildeten schulterartigen Auflagebund vorgegeben, an dem der Kupplungskörper 120 anliegt. Der Auflagebund ist durch den Hinterschnitt 114 in einen Innenring 116 und einen Außenring 117 (siehe 1c) mit jeweils radialer Erstreckung unterteilt.
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Der Kupplungskörper 120 ist durch eine umlaufend (oder gegebenenfalls auch nur abschnittweise) ausgebildete und sich axial erstreckende Schweißnaht 130 mit dem Ringfortsatz 115 des Radkörpers 110 stoffschlüssig verbunden. Bevorzugt ist der Kupplungskörper 120 vollständig mittels umlaufender und durchgehend ausgebildeter Schweißnaht 130 mit dem Radkörper 110 verschweißt. Die Schweißnaht 130 wird bevorzugt ohne Zusatzmaterial (gegebenenfalls auch mit Zusatzmaterial) durch Laserstrahlschweißen erzeugt und weist eine von der Strahlauftreffseite wegweisende bzw. von außen axial in den Fügespalt hineinweisende Schweißwurzel 131 auf.
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Damit während des Schweißprozesses die im Bereich der Schweißwurzel 131 entstehenden Gase und Drücke entweichen können, sind am Innenring 116 des Radkörpers 110 durch Nuten 118 gebildete Entgasungskanäle vorgesehen. Die Nuten 118 münden in den Hinterschnitt 114, so dass über den Hinterschnitt 114 die Entgasung möglich ist, wie in 1b durch den Strömungspfeil S veranschaulicht. Durch die wurzelseitige Entlüftung S wird der Laserstrahl weniger durch aufsteigende Gase und Rauche behindert. Die Entgasungsmöglichkeit ist verdeckt ausgebildet und dem Schaltrad 100 im gefügten Zustand nicht anzusehen.
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Die 1c und 1d zeigen in einer Draufsicht und in einer perspektivischen Detailansicht einen noch keine Laufverzahnung 112 aufweisenden Rohling 110’ aus dem im Weiteren der Radkörper 110 hergestellt wird, bspw. durch Wälzfräsen der Laufverzahnung 112. Bevorzugt handelt es sich bei dem Rohling 110’ um ein Schmiedeteil, wobei bereits beim Schmieden der Auflagebund für den Kupplungskörper 120 gebildet und zugleich die als Entgasungskanäle dienenden Nuten 118 in diesen Auflagebund bzw. dessen Innenring 116 eingeformt werden. Das Schmiedegesenk ist entsprechend ausgebildet. Bevorzugt wird der Rohling 110’ noch einer dem Schmieden nachfolgenden Drehbearbeitung unterzogen, bei der auch der Auflagebund mit den eingeformten Nuten 118 überdreht wird. Bei dieser bevorzugten Herstellweise des Radkörpers 110 ist also kein zusätzlicher Arbeitsschritt notwendig. Die Nuten 118 können auch durch eine in den Fertigungsprozess des Radkörpers 110 integrierte Fräsbearbeitung oder dergleichen erzeugt werden.
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Wie aus 1c ersichtlich, sind mehrere (beispielhaft vier) gleichmäßig verteilt bzw. in gleichen Winkelabständen angeordnete und sich radial erstreckende Nuten 118 vorgesehen. Die Nuten 118 weisen bspw. eine Breite von 1 mm bis 3 mm und eine Tiefe von 0,5 mm bis 1,5 mm auf.
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2a zeigt eine andere Ausführungsmöglichkeit, bei der die Entgasungskanäle nicht am Radkörper 110, sondern am Kupplungskörper 120 ausgebildet sind. Ansonsten ist die Funktionsweise dieser Entgasungskanäle identisch zu denen der 1. Die Entgasungskanäle können, analog zur 1, als Nuten oder, wie in 2b gezeigt, als Taschen 128 ausgebildet sein. Die am Kupplungskörper 120 an der dem Auflagebund des Radkörpers 110 zugewandten Seite bzw. Gegenfläche 124 ausgebildeten Nuten oder Taschen 128 sind nicht über die gesamte radiale Breite ausgebildet, sondern reichen nur bis zum Hinterschnitt 114 des Radkörpers 110. Im Übrigen gelten analog die vorausgehenden Erläuterungen zu der in 1 gezeigten Ausführungsmöglichkeit.
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2a zeigt ferner eine besondere Ausgestaltung des Ringfortsatzes 115 am Radkörper 110, die ebenso auch bei der in 1 gezeigten Ausführungsmöglichkeit vorgesehen sein kann. Damit der Kupplungskörper 120 mit dem Ringfortsatz 115 des Radkörpers 110 bestmöglich verschweißt werden kann, müssen die Außenumfangsfläche am Ringfortsatz 115 und die Innenumfangsfläche 125 am Kupplungskörper 120 aufeinander eingestellt sein, wobei insbesondere auch eine Presspassung vorgesehen ist. Dies geschieht z. B. durch eine vorausgehende spanende Drehbearbeitung dieser Fügeflächen. Hierzu weist der Ringsfortsatz 115 am Übergang zwischen seiner Außenumfangsfläche und dem Innenring 116 des Auflagebunds einen Freistich 119 auf, der als Ringnut den Ringfortsatz 115 vollständig umläuft.
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Die Bearbeitungsrillen aus der vorhergehenden Drehbearbeitung verzahnen sich beim Aufpressen, wodurch der ringnutartige Freistich 119 (ohne erfindungsgemäße Gegenmaßnahmen) gasdicht verschlossen wird. Die zu fügenden Einzelteile 110/120 erwärmen sich während des Schweißprozesses, wodurch sich im Freistich bzw. Freiraum 119 ein Druck aufbaut. Ferner bilden sich Prozessgase (durch Verdampfung oder Verbrennung von Konservierungsmittel, Ölen, Fetten, Schmutz und/oder Feuchtigkeit) die sich durch Dampfkapillare entladen. Es kommt zu Ausspritzern, Poren und Lunkern. Ferner können die sich entladenden Prozessgase durch den Laserstrahl entzündet werden (Plasmafackel), wodurch die Einkopplung des Laserstrahls beeinträchtigt wird. Es kommt zu Schweißfehlern.
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Um dies zu vermeiden sind Entgasungskanäle 128 (bzw. 118) vorgesehen, die eine Verbindung zwischen diesem ringnutartigen Freistich 119, der auch als Freimachung bezeichnet werden kann, und dem Hinterschnitt 114 bilden, so dass während des Schweißprozesses über den Freiraum 119 und dessen Verbindung zum Hinterschnitt 114 an jeder Schweißstelle eine sehr gute Entlüftung bzw. Entgasung der sich ausbildenden Schweißwurzel 131 gegeben ist. Es kann ein Gasaustausch zwischen Freimachung 119 und Umgebung stattfinden, wodurch die Schweißnahtqualität positiv beeinflusst wird. Durch den ringnutartigen Freistich 119 kann sich ferner vereinfacht ein sogenannter Wurzeldurchhang ausbilden, wodurch in axialer Richtung eine vollständige Verschweißung der Fügeflächen begünstigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Schaltrad
- 110
- Radkörper
- 110’
- Radkörperrohling
- 111
- Nabe
- 112
- Laufverzahnung
- 113
- Hinterschnitt
- 114
- Hinterschnitt
- 115
- Ringfortsatz
- 116
- Innenring
- 117
- Außenring
- 118
- Entgasungskanal (Nut)
- 119
- Freistich
- 120
- Kupplungskörper
- 121
- Reibkegel
- 122
- Steckverzahnung
- 124
- Gegenfläche (Rückseite)
- 125
- Innenumfangsfläche
- 128
- Entgasungskanal (Tasche)
- 130
- Schweißnaht (Lötnaht)
- 131
- Schweißwurzel
- L
- Längsachse
- R
- radiale Richtung
- S
- Entgasung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011110169 A1 [0003]
- DE 102005028004 B4 [0003]
- DE 102011076656 A1 [0003]
