DE4006582C2 - Verfahren zum Herstellen eines ringförmigen Zahnrades aus einer Metallplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Her­ stellen eines ringförmigen Zahnrades aus einer Metallplatte der im Oberbegriff von Anspruch 1 erläuterten Art.

Aus Metall bestehende Kettenräder und Zahnräder werden nach verschiedenen Verfahren hergestellt. So werden aus Metall bestehende Zahnräder gegossen und anschließend fertig bearbeitetet. Es ist ferner möglich, sie aus me­ tallischen Rohlingen auszuschneiden und dafür eine Ab­ wälzfräseinrichtung oder dgl. zu benutzen. Ferner lassen sich solche Zahnräder aus Plattenmaterial durch eine Ma­ trize ziehen. Auch ist es möglich, zum Kaltformen der Zahnräder verschiedene Rollwerkzeuge anzuwenden. Es ist bekannt, daß kaltgerollte Zahnräder bestimmte Vorteile gegenüber geschnittenen Zahnrädern besitzen, weil der Abfall durch Spanmaterial eliminiert ist, weil sich eine gleichförmige Werkstoffhärtung der Zähne bei ihrer For­ mung ergibt, und weil sich enge Toleranzen und eine gute Oberflächenqualität erzielen lassen.

Ein Verfahren zum Herstellen von als Kettenrädern ausgebildeten Zahnräder der ein­ leitend beschriebenen Art ist der AT-PS 1 859 zu entneh­ men. Gemäß diesem Verfahren wird der äußere Umfangsrand einer kreisförmigen Metallplatte in einem Warmverfor­ mungsgang so nach innen umgebogen, daß sich die dadurch entstehende Lippe eng an das verbleibende Material der Platte anlegt. Die Dicke der Platte wird somit an dieser Stelle verdoppelt. Anschließend werden in diesen ver­ dickten Bereich Zähne eingeschnitten, d. h. spanabhebend eingeformt.

Hierdurch ergeben sich jedoch Zähne mit relativ kleiner Breite, die bei Kettenrädern für Fahrräder üblich sind, bei Zahnrädern aber im allgemeinen nicht ausreichen.

Die DE-OS 33 11 528 beschreibt ein Verfahren zum Her­ stellen verzahnter Elemente. Ein Zahnrad wird nach diesem Verfahren dadurch hergestellt, daß der Umfangs­ wandbereich zunächst in Axialrichtung rechtwinklig ab­ gebogen und dann in Axialrichtung derart kaltverformt oder gehämmert wird, daß sich ein äußerer Randwulst bildet, in den durch Materialentfernung, z. B. durch Stanzen oder Aushauen, die Zähne eingeformt werden.

Aus der US-PS 37 45 851 ist ein aus einer flachen kreis­ förmigen Scheibe geformtes Zahnrad oder Kettenrad be­ kannt. Ein in Umfangsrichtung umlaufendes Zahnprofil wird durch Drehen der Scheibe zwischen einem Paar diame­ tral gegenüberliegender, drehender Formwerkzeuge ge­ schaffen. Die Scheibe und die beiden gegenüberliegenden Formwerkzeuge rotieren um zueinander parallele Achsen. Obwohl die auf diese Weise geformten Zähne in axialer Richtung gegenüber dem dünnen Körper der Scheibe etwas verbreitert werden, ist die Menge des im Zahnbereich in axialer Richtung vorhandenen Materials und damit die axiale Breite der Zähne begrenzt. Aus der US-PS 41 32 098 ist ein weiteres Verfahren zum Kaltrollen von Zahnrädern bekannt, bei dem eine einzige Zahnformrolle benutzt wird, die mit dem Rohling rotiert, und im Umfangsbereich des Rohlings die Verzahnung formt. Um eine breite Zahnfläche zu schaffen, müssen unzweckmäßig dicke Rohlinge benutzt werden.

In einigen Anwendungsfällen ist es wünschenswert, einen dünnen scheibenförmigen Körper und axial wesentlich breitere Zähne an dessen Umfang zu haben. Beispielsweise hat ein Anlasser-Zahnkranz für einen Automotor einen sehr dünnen Scheibenkörper, dessen geringe Stärke bei geringem Gewicht gerade für die notwendige Steifigkeit und Festigkeit sorgt, während die Zahnbreite der peripheren Verzahnung axial erheblich breiter sein soll. Solche Anlasser-Zahnkränze werden üblicherweise aus gegossenen oder geschmiedeten Rohlingen mit axial verbreitertem Umfangsrand hergestellt, in den die Verzahnung anschließend mit konventionellen Zahnbearbeitungseinrichtungen eingeschnitten wird. Diese Zahnräder besitzen jedoch die eingangs erwähnten Nachteile gegenüber den kaltgeformten Zahnräder. Ein ringförmiges Zahnrad konnte auch dadurch hergestellt werden, daß eine kreisförmige Metallscheibe durch Ziehen in eine Schalenform gebracht wird, um einen sich in axialer Richtung erstreckenden, zylindrischen Umfangsflansch zu schaffen, ehe eine Verzahnung in die äußere Flanschoberfläche eingeformt wird. Die Verzahnung kann dann eingeschnitten oder durch Ziehen kaltgeformt werden, wie beispielsweise in der US-PS 37 96 085 beschrieben. Zähne können in den sich axial erstreckenden äußeren zylindrischen Flansch auch durch Kaltformen eingeformt werden, wobei ein bekanntes Kaltrollverfahren angewandt wird. Dabei wird eine oder werden mehrere Zahnformrollen in axialer Richtung über die Außenoberfläche des Flansches bewegt, und zwar in Übereinstimmung in aufeinanderfolgenden Schritten der gewünschten Verzahnung. Jedoch hat die Verwendung eines Zahnradrohlings, bei dem der zylindrische äußere Flansch im Rohling durch Ziehen ausgebildet ist oder bei dem am äußeren Rand einer flachen Scheibe ein getrennter zylindrischer Ring angeschweißt wird, schwerwiegende Nachteile, weil sich inhärente Festigkeitsbeschränkungen und/oder teuere und zeitaufwendige Fabrikationsschritte ergeben. Ferner ist bei der Anwendung der bekannten Rollformverfahren eine Abstützung des inneren Durchmessers des zylindrischen Flansches auf einem genuteten oder gezahnten Dorn desselben Durchmessers erforderlich. Außerdem ist die erreichbare Tiefe und deshalb auch die Festigkeit der Verzahnung im zylindrischen äußeren Flansch begrenzt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines ringförmigen Zahnrades aus einer Metallplatte bereitzustellen, das die Vorteile üblicher kaltgeformter Verfahren aufweist und mit dem trotzdem Zahnräder einer mit konventionell geformten Zahnrädern vergleichbaren Gesamtfestigkeit, Zahnformgenauigkeit und Verzahnung hergestellt werden können.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Zahnrades aus einer leichten und dünnen Metallplatte, die einen peripheren äußeren Randabschnitt mit verbessertem Querschnitt besitzt. Die Zähne werden in den äußeren Randabschnitt kalt eingerollt, wobei ein drehbares Werkzeug und kreuzweise Zahnrolltechniken eingesetzt werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der äußere Umfangsrand einer im wesentlichen ebenen kreisförmigen Scheibe zu einem sich radial nach innen öffnenden U-förmigen Kanal umgeformt, wobei ein Schenkel des U-förmigen Kanals eine integrale radiale Verlängerung des Plattenkörpers und der andere Schenkel des U-förmigen Kanals eine sich radial nach innen erstreckende kreisringförmige Lippe ist. Der mit dem Kanal vorgeformte Plattenkörper wird in axialer Richtung eingespannt, wobei die radial äußere Oberfläche des U-förmigen Kanals frei bleibt. Der innere Rand der kreisringförmigen Lippe, die einen Schenkel des U-förmigen Kanals bildet, wird auf einer zylindrischen Schulter abgestützt. Die Zähne der Verzahnung werden in die äußere Oberfläche des U-förmigen Kanals kalt eingerollt, wobei ein Rollwerkzeug verwendet wird, das in Richtungen senkrecht zu den Schenkeln des Kanals und des Plattenkörpers quer über die äußere Oberfläche bewegt wird.

Die äußeren Flächen der Schenkel des U-förmigen Kanals werden während der Kaltrollschritte abgestützt, um ein Aufspreizen der Schenkel in Rollrichtung zu vermeiden. Zweckmäßigerweise werden die äußeren Flächen der Schenkel durch Festklemmen der Schenkel gleichzeitig mit dem Festspannen des Plattenkörpers festgelegt, wobei dafür dieselben Spannglieder verwendet werden.

Die Zähne werden dann stufenweise nach einer bekannten Kaltrolltechnik gerollt. Im besonderen zeichnet sich dieses Kaltrollverfahren dadurch aus, daß die Verzahnung durch Bewegen des Rollwerkzeuges schrittweise quer über die äußere Oberfläche des U-förmigen Kanals bewegt wird, wobei das Rollwerkzeug zwischen den einzelnen Formungsstufen in Umfangsrichtung Teilungsbewegungen relativ zum Außenumfang ausführt.

Das Umbiegen des äußeren Umfangsrandes des Plattenkörpers zu der U-förmigen Kanalform wird zuvor zweckmäßigerweise ebenfalls durch Kaltverformung so ausgeführt, daß in einfacher Weise Zähne in gewünschter Breite hergestellt werden können.

Das Zahnrad, das mittels des erfindungsgemäßen Kaltrollverfahrens hergestellt wird, besitzt eine Metallplatte mit einem im wesentlichen ebenen kreisförmigen Körper und einem Umfangsrandabschnitt, der zurückgebogen ist, um sich entlang des ebenen Bodens nach innen zu erstrecken und einen Umfangsbereich mit U-förmigem Querschnitt zu begrenzen, und zwar zweckmäßigerweise mit im wesentlichen gleichbleibender Dicke. Die Zahnform der kaltgeformten Zähne in der radial äußeren Fläche des Umfangsbereiches ist charakterisiert durch eine Zahntiefe größer als die Dicke des Materials und eine Zahnbreite in axialer Richtung, die größer ist als der Abstand zwischen den axial äußeren Flächen des Plattenkörpers und der kreisringförmigen Lippe.

Zweckmäßige Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine axiale Ansicht eines Aus­ schnittes eines runden Metall­ plattenkörpers, aus dem erfin­ dungsgemäß ein Zahnrad geformt werden soll, und zwar nachdem der Randbereich vorgeformt und ehe die Verzahnung eingebracht wird,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch den Plattenkörper von Fig. 1, wobei zusätzlich eine Einspannvorrich­ tung zum Festhalten des Platten­ körpers vor und beim Kaltrollen der Zähne gezeigt ist,

Fig. 3 einen Radialteilschnitt des äu­ ßeren Randbereiches des Platten­ körpers und der Spannvorrichtung nachdem die Verzahnung geformt ist,

Fig. 4 eine axiale Ansicht des Zahnra­ des entsprechend Fig. 3,

Fig. 5 eine axiale Ansicht des Umfangs­ randes eines Zahnrades ähnlich dem von Fig. 4, jedoch in einem Vertikalschnitt, wobei die End­ position des Zahnrollwerkzeuges in Relation dazu gezeigt ist.

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist eine scheibenförmige Metallplatte 10 ausgestanzt oder auf andere Weise geformt, um einen im wesentlichen ebenen kreisförmigen Körper 11 zu bilden. Der Körper 11 kann wie bei 12 schalenförmig verformt sein, um die Steifigkeit der Platte 10 zu erhöhen oder sie an die Einbaubedingungen des Motors anzupassen, in den das fertige Zahnrad eingebaut wird. Der Körper 11 weist eine axiale Mittelbohrung 13 und einen auf besondere Weise vorgeformten äußeren Umfangsrand 14 auf. Der Rand 14 des Körpers 11 ist um annähernd 180° durch Kaltverformung umgebogen, um einen Kanal 15 zu bilden, der im Querschnitt U-förmig ist und sich radial nach innen zur Mitte des Körpers 11 öffnet. Ein Schenkel 16 des U-förmigen Kanals 15 besteht aus einer integralen radialen Verlängerung des Körpers 11 selbst. Der andere Schenkel 17 besteht aus einer sich radial nach innen erstreckenden, kreisringförmigen Lippe 18. Die Schenkel 16 und 17 des Kanals 15 sind miteinander durch einen integralen äußeren Oberflächenabschnitt 20 verbunden. Auf diese Weise ergibt sich der im Querschnitt annähernd U-förmiger Kanal 15 mit im wesentlichen konstanter Wandstärke und Dicke.

Der mit dem vorgeformten Kanal 15 versehene Körper 11 wird in einer Spannvorrichtung 21 für die darauffolgende Zahnformoperation fest eingespannt. Der Körper 11 wird gegen eine kreisförmige Gegenhalteplatte 22 angedrückt, die eine Ausnehmung 24 für die schalenförmigen Ausprägungen 12 des Körpers 11 und eine zentrale Gewindebohrung 25 aufweist. An der Gegenhalterplatte 22 stützt sich der Körper 11 vor allem an einer äußeren, kreisringförmigen Stützfläche 26 und im Mittelbereich der Ausnehmung 24 an deren Grund ab. Eine Spannplatte 23 liegt auf der anderen Fläche des Körpers 11 an, um den Körper 11 gegen die Gegenhalterplatte 22 zu drücken. Ein Spannbolzen 27 durchsetzt eine axiale Durchgangsbohrung 28 der Spannplatte 23, die Bohrung 13 des Körpers 11, und ist in die Gewindebohrung 25 eingeschraubt. Die Spannplatte 23 weist eine kreisringförmige äußere Spannfläche 30 auf, deren Durchmesser annähernd dem Durchmesser der Stützfläche 26 der Gegenhalterplatte 22 entspricht. Der Körper 11 ist zwischen diesen Flächen sicher festgeklemmt. Ein Mittelteil 31 der Spannplatte 23 kann ausgehöhlt sein, so daß die Spannkräfte zwischen den Stützflächen 30 und 26 konzentriert sind.

Der äußere Rand der Spannplatte 23 ist bearbeitet, um eine zylindrische Schulter 32 und eine kreisförmige Anlagefläche 33 zu definieren. Der Durchmesser der zylindrischen Schulter 32 entspricht annähernd dem Durchmesser des Kreises, der durch den inneren Rand der kreisringförmigen Lippe 18 definiert ist, derart, daß die zylindrische Schulter 32 einen Stützdorn für den Rand der Lippe 18 bildet, sobald der Körper 11 fest in der Spannvorrichtung 21 sitzt. Die Länge der zylindrischen Schulter 32 ist in axialer Richtung nur geringfügig größer als der Abstand zwischen den äußeren Oberflächen der Schenkel 16 und 17, derart, daß der Körper 11 zumindest ohne Anlage an der Anlagefläche 33 eingespannt ist, der somit die Lippe 18 nicht verbiegt, jedoch ihr nahe genug gegenübersteht, um eine axiale Ausweichbewegung der Lippe 18 und ein Aufspreizen der Schenkel 16 und 17 zu verhindern, sobald darauffolgend die Zähne geformt werden.

Wenn der Körper 11 sicher in der Spannvorrichtung 21 gehalten ist und die Lippe 18 durch die Schulter 32 (Fig. 2) abgestützt wird, werden die Zähne in die äußere Oberfläche 20 des U-förmigen Kanals 15 eingeformt. Die Zähne werden durch eine in Fig. 5 gezeigtes Rollwerkzeug 34, vorzugsweise stufenweise, kaltgerollt. Die Ausbildung und Anwendung dieses Typs des Rollwerkzeugs 34 sind in dieser Technik bekannt. Es können auch Paare von Rollwerkzeugen, die auf einem Planetenrollkopf (nicht gezeigt) sitzen, angewendet werden. Beim Rollen greift das Werkzeug 34 am äußeren Oberflächenabschnitt 20 an und dringt in diesen ein, um ein Teilstück des Zahnprofils zu formen. Der Körper 11 wird im Verhältnis zur Rolle zwischen Formungsstufen in Umfangsrichtung um jeweils eine Zahnteilung weitergedreht und axial im Verhältnis zum Werkzeug 34 fortlaufend verschoben. Auf diese Weise werden Zähne 35 in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Schenkel 16 und 17 des U-förmigen Kanals 15 gerollt, d. h. parallel zur Achse der Anordnung.

Gemäß den Fig. 3 bis 5 besitzt das Rollwerkzeug 34 ein Arbeitsprofil, das exakt der Zahnform der fertigen Verzahnung entspricht. Das Verfahren erfordert die Verwendung eines verformbaren Materials. Das Rollwerkzeug wirkt so, daß es das Material axial aufweitet und radial in den Kanal 15 drückt. Auf diese Weise ergibt sich ein maximaler Außendurchmesser der Verzahnung, nachdem die Zähne 35 geformt sind, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Körpers 11. Daraus resultiert, daß die Zähne 35 mit einer Zahntiefe geformt sind, die wesentlich größer als die Dicke des Materials ist, das den U-förmigen Kanal 15 definiert. Wie bereits erwähnt wurde, benötigten bekannte Verfahren die Verwendung eines längsgekeilten oder verzahnten Dorns, dessen Zahnprofil in irgendeiner Weise ähnlich dem Zahnprofil des Rollwerkzeuges 34 sein mußte, um die Unterseite der Oberfläche abzustützen, in der die Verzahnung geformt wurde. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet die Anwendung eines gekeilten Stützdorns. Vielmehr wird die Oberfläche, in der die Zähne geformt werden, durch den Angriff der kreisringförmigen Lippe 18 an der zylindrischen Schulter 32 der Spannplatte 23 abgestützt. Unter Bezugnahme auf den Radialschnitt des fertigen Zahnrades gemäß Fig. 5 fließt das kaltverformte Material an der Innenseite des U-förmigen Kanals 15 zwischen den Schenkeln 16 und 17 in einem gleichförmigen, im wesentlichen wellenförmigen Muster. Da jedoch die Schenkel 16 und 17 gegen die radial aufgebrachte Kraft des Rollwerkzeuges 34 fest abgestützt sind, verbreitern sich die kaltgerollten Zähne in Richtung des Formens, so daß verbreiterte Endteile 36 entstehen. Deshalb ist die Breite jeder Zahnflanke 37 größer als der Abstand zwischen den axial äußeren Flächen des Körpers 11 und der kreisringförmigen Lippe 18, d. h., größer als der Abstand zwischen der Stützfläche 26 der Gegenhalterplatte 22 und der Anschlagfläche 33 der Spannplatte 23.

Wie bereits angedeutet, wird beim ersten Einspannen des Körpers 11 in der Spannvorrichtung 21 ein kleines Spiel 38 (das in der Fig. 2 der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt ist) zwischen der äußeren Fläche des Schenkels 17 und der Anlagefläche 33 freigelassen. Bei der Zahnformung wird dieses Spiel 38 beseitigt, so daß sowohl die zylindrische Schulter 32 als auch die Anlagefläche 33 die kreisringförmige Lippe 18 des Schenkels 17 beim Kaltrollen der Verzahnung abstützen. Dies stellt das Einhalten der Konzentrizität und eine genaue Steuerung des Rundlaufes des Zahnrad-Teilkreises sicher.

Zusätzlich zur Einsparung eines gerillten oder längsgekeilten Stützdornes schafft die Formung der Verzahnung in dem auf neue Weise ausgebildeten U-förmigen Kanals 15 einen äußeren Zahnkranz erhöhter Festigkeit. Wie im besonderen aus Fig. 3 zu entnehmen ist, resultiert aus dem Materialfluß während des Kaltrollprozesses eine Zahntiefe (vertikaler Abstand zwischen der Wurzel 40 und dem Kamm 41 des Zahnes), die tatsächlich etwas größer ist als die Dicke des Materials, das die äußere Oberfläche 20 trägt, in die die Zähne eingeformt sind. Diese Vorteile lassen sich bei einem geschnittenen Zahnrad oder bei einem auf einem gerillten Stützdorn gerollten Zahnrad nicht erreichen. Besonders wichtig ist schließlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren es gestattet, von einem Rohmaterial auszugehen, dessen Stärke normalerweise zu dünn wäre, um ein Zahnrad mit der geforderten Stärke und Zahnform herzustellen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines ringförmigen Zahnrades aus einer Metallplatte, die einen im wesentlichen ebe­ nen, kreisförmigen Körper bildet, wobei zunächst der äu­ ßere Umfangsrand derart verformt wird, daß er eine sich radial nach innen erstreckende, kreisringförmige Lippe definiert, und wobei anschließend in die radial äußere Fläche Zähne eingeformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Formen der Lippe (18) ein sich radial nach in­ nen öffnender, U-förmiger Kanal (15) gebildet wird, des­ sen einer Schenkel (17) durch die Lippe (18) und dessen anderer Schenkel (16) durch eine integrale radiale Ver­ längerung des Plattenkörpers (11) gebildet wird, daß der Plattenkörper (11) derart eingespannt wird, daß sich der Rand der Lippe (18) auf einer zylindrischen Schulter (32) abstützt, während die radial äußere Fläche (20) des U-förmigen Kanals (15) freiliegt, in die die Zähne (35) durch Kaltrollen mittels eines in einer Richtung senk­ recht zu den Schenkeln (16, 17) des Kanals (15) bewegten Rollwerkzeugs (34) eingeformt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Flächen der Schenkel (16, 17) des Kanals (15) während des Kaltrollens festgelegt werden, um ein Aufspreizen der Schenkel (16, 17) in Rollrichtung zu verhindern.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (16, 17) zusammen mit dem Plattenkörper (11) eingespannt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (35) schrittweise gerollt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kaltrollen gekennzeichnet ist durch

• a) stufenweises Rollen jedes Zahnprofils durch Bewegen des Rollwerkzeuges (34) über die Oberfläche (20), und
• b) Versetzen des Rollwerkzeuges (34) in Umfangsrichtung der Oberfläche des Plattenkörpers (11) in Teilungs­ schritten zwischen den einzelnen Formvorgängen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Kanal (15) durch Kaltverformen gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne derart hergestellt werden, daß das die Zähne (35) im Bereich des Grunddurchmessers stützende Plattenmaterial eine gleichförmige Dicke be­ sitzt, die im wesentlichen gleich der Dicke des Mate­ rials ist, das den äußeren Umfangsbereich bildet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kaltrollen bis zu einer Zahn­ tiefe durchgeführt wird, die größer ist als die Dicke des mit der äußeren Oberfläche (20) versehenen Stegs des U-förmigen Kanals (15) vor dem Kaltrollen.