WO1999032804A1

WO1999032804A1 - Herstellung eines gezahnten hohlzylindrischen teils

Info

Publication number: WO1999032804A1
Application number: PCT/EP1998/006628
Authority: WO
Inventors: Josef Schwuger; Rudolf Sinner
Original assignee: INA Wälzlager Schaeffler oHG
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 1999-07-01
Also published as: DE19757186A1

Abstract

Der Aufwand zur Herstellung von mit einem Zahnprofil versehenen hohlzylindrischen Teilen (5, 20) wird erfindungsgemäss durch folgendes Herstellverfahren verringert: Ein längserstrecktes Halbzeug (1) wird an wenigstens eine seiner Flächen mit einem Zahnprofil (21) versehen. Danach wird das Halbzeug (1) in eine ringförmige Gestalt mit einander gegenüberliegenden umfangseitigen Enden des Halbzeugs (1) gebracht. Anschliessend werden die umfangseitigen Enden unbewegbar zueinander festgelegt.

Description

Herstellung eines gezahnten hohizylindrischen Teils

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit einem Zahnprofil versehenen hohizylindrischen Teilen aus Halbzeugen. Halbzeuge können beispielsweise Rund- oder Rechteckprofile sein, die als Stangen oder als Bandware erhältlich sind. Die Erfindung betrifft insbesondere auch solche Verfahren zur Herstellung von derartigen Teilen, bei denen vorzugsweise materialumformende Bearbeitungsverfahren, vorzugsweise Rollieren und Prägen, eingesetzt werden.

Hintergrund der Erfindung

Aus der Fachzeitschrift "Werkstatt und Betrieb", Ausgabe 10/1997, Seite 130 beispielsweise ist die Herstellung von Zahnrädern und mit Schaltverzahnung versehenen Kupplungskörpern bekannt. Zur Herstellung der letztgenannten Gegenstände wird ein Halbzeug - zylindrisches Profil - halbwarm vorgestaucht, anschließend halbwarm vorgeformt und danach halbwarm getrennt. Bei diesem Trennvorgang wird eine Ronde abgetrennt, die als Materialabfall für die weite- ren Bearbeitungsschritte nicht mehr benötigt wird. An diesen halbwarmen Trennvorgang schließt ein halbwarmes Verzahnungspressen mit weiterem nachgeschalteten Trennvorgang an. Auch bei diesem zweiten Trennvorgang entsteht Materialabfall, der für die weitere Bearbeitung nicht mehr benötigt wird. Neben dem geschilderten Nachteil des Materialabfalls besteht die Not- wendigkeit, für jeden Durchmesser beispielsweise eines Zahnkranzes ein eigenes Werkzeug vorzusehen. Aus der Fachzeitschrift "Maschinenmarkt", 30/1997, Seite 21 beispielsweise ist die Herstellung eines mit Innenverzahnung versehenen Lamellenkörpers in einem Drückwalzprozess beschrieben. Ein Ring wird auf einen mit einer Außenverzahnung versehenen Werkzeugdorn gesteckt, wobei am Außenumfang des Ringes drei zu dem Werkzeugdorn achsparallel angeordnete Drückewalzen, die gleichmäßig über den Umfang des Rings verteilt angeordnet sind, den drehenden Ring gegen den Werkzeugdorn an- drücken. Bei diesem Vorgang wird Werkstoff in die Zahnlücken des Werkzeug- dorns gepresst. Zwar ist hier in günstiger Weise der Materialabfall erheblich reduziert, jedoch besteht auch hier die Notwendigkeit, für jeden Durchmesser des Lamellenkörpers einen entsprechenden Werkzeugdorn zu verwenden.

Zusammenfassung der Er indung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 derart vorzuschlagen, daß der Aufwand bei der Bereitstellung von Werkzeugen, die für die Herstellung von mit einem Profil, insbesondere Zahnprofil, versehenen hohizylindrischen Teilen benötigt werden, reduziert ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein längserstrecktes Halbzeug an wenigstens einer seiner Flächen mit einem Zahnprofil versehen wird, wonach das Halbzeug in eine ringförmige Gestalt mit einander gegenüberliegenden umfangseitigen Enden des Halbzeugs gebracht wird, wobei eine der beiden Umfangsf lachen mit dem Zahnprofil versehen ist, wonach die umfangseitigen Enden unbewegbar zueinander festgelegt werden. Vorzugsweise werden die Enden mittels eines Schweißvorganges fest miteinander verbunden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht in nur geringem Umfang Materialabfall. Weiterhin kann die Herstellung sämtlicher Zahnkranzdurchmesser einer gemeinsamen Modulreihe mit einem einzigen Werkzeug erfolgen: Die Geometrie der Verzahnung bleibt für verschiedene Durchmessereihen weitgehend erhalten. Lediglich die axiale Erstreckung des Halbzeuges wird entsprechend dem vorgesehenen Teilkreisdurchmessers des Zahnkranzes angepasst.

Bevorzugt eignen sich Präge- und Stanzwerkzeuge für das erfindungsgemäße Verfahren. Als Halbzeug wird vorzugsweise ein Band eingesetzt, das Vorzugs- weise zwischen Walzen durchläuft, zwischen denen das Band umgeformt wird. Eine der Walzen ist mit dem gewünschten Zahnprofil versehen, das in die anliegende Fläche des Bandes eingeprägt wird. Im Nachgang an diesen Prägevorgang kann das so vorbereitete Band in Stücke unterteilt werden. Die Länge eines Stückes ist dabei an den späteren Teilkreisdurchmessers beispielsweise eines Zahnkranzes angepasst. Die Stücke werden dann jeweils in ihre ringförmige Gestalt gebracht, wobei die Enden vorzugsweise mittels Widerstandsschweißen oder Abbrennstumpfschweißen fest miteinander verbunden werden. Die beiden genannten Schweißverfahren eignen sich in besonders günstiger Weise für das erfindungsgemäße Verfahren, weil das Zahnprofil im Übergang von dem einen Ende auf das andere Ende des Stücks hinsichtlich seiner Funktion erhalten bleibt. Es ist selbstverständlich möglich, das Halbzeug zunächst in die genannten Stücke zu unterteilen, und anschließend mit der Verzahnung zu versehen. Werden beispielsweise Zahnkränze nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, lassen sich diese problemlos in einem Wärmebehandlungsverfahren härten und im Anschluss daran mit einem Außen- oder Innenteil, beispielsweise eine Nabe -die weich sein kann - verbinden. Das Innen- oder Außenteil muß nicht gemeinsam mit dem Zahnkranz Oberflächen- oder wärmebehandelt werden; eine Nachbearbeitung des weichen Innen- oder Außenteils problemlos auch dann möglich, wenn der Zahnkranz mit dem harten Innen- oder Außenteil verbunden ist. Das hohlzylindrische Teil, beispielsweise der außenverzahnte Zahnkranz, wird dann an seiner inneren Mantelfläche von einer Nabe getragen, wobei die Nabe und der Zahnkranz drehfest miteinander verbunden sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich besonders günstige erfindungsgemäße Weiterbildungen verwirklichen, die eine einwandfreie Verbindung des hohizylindrischen Teils mit einem Außen- oder Innenteil ermöglichen. An dem Beispiel der bereits erwähnten Verbindung Nabe/Zahnkranz wird deutlich, daß es bei dem Zusammenfügen der Nabe mit dem Zahnkranz darauf ankommt, daß beide Teile einwandfrei konzentrisch zueinander angeordnet sind. Beispielsweise würde ein Verkippen der Mittelpunktsachsen von Nabe und Zahnkranz zueinander bedeuten, daß ein derartiges Zahnrad eine unrunde oder taumelnde Bewegung ausführen würde. Weiterhin wird eine einwandfreie drehfeste Verbindung zwischen dem hohizylindrischen Teil und dem Innenoder Außenteil angestrebt. Daher wird vorgeschlagen, daß an einer Gegenfläche des Halbzeugs, vorzugsweise des Bandes, die der mit dem Zahnprofil versehen Fläche gegenüberliegt, ein Profil durch Materialumformung ausgebildet wird. Dieses Profil kann im Fall einer Verwendung der beschriebenen Walzen gemeinsam mit der Prägung des Zahnprofils erfolgen, wenn beispielsweise ein weiteres Rollenpaar vorgesehen ist, durch das das Halbzeug bzw. das Band hindurchgeführt wird, wobei eine dieser beiden Walzen eine Gravur trägt, die dieses Profil in die Gegenfläche des Halbzeugs einprägt. Dieses Profil kann beispielsweise eine Anlagekante sein, an der später das Innenteil anliegt und somit gegenüber dem hohizylindrischen Teil einwandfrei ausgerichtet ist. Dieses Profil kann aber auch anstelle der Anlagekante oder zusätzlich zu der Anlagekante über den Umfang verteilt angeordnete Ausnehmungen oder Vorsprünge aufweisen, mit denen Vorsprünge oder Ausnehmungen des Innen- oder Außen- teils im Eingriff sind. Auf diese Weise ist eine einwandfreie drehfeste Verbindung sichergestellt.

Sofern ein Innenteil vorgesehen ist, kann dieses bereits während der Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens in das hohlzylindrische Teil integriert wer- den. Dies geschieht dadurch, daß das Innenteil mit seiner Umfangsfläche über eine Gegenfläche des längserstrecken Halbzeuges, beispielsweise Band, angeordnet wird, wobei die erwähnte Gegenfläche der mit dem Zahnprofil versehenen Fläche gegenüberliegt, und wobei im Anschluß daran das Halbzeug unter Einfassung des Innenteils in seine ringförmige Gestalt gebracht wird. Im Anschluß daran werden die umfangsseitigen Enden des Halbzeugs fest miteinander verbunden. Das Innenteil kann an seinem Außenumfang und das hohlzylindrische Teil kann an seiner Gegenfläche derart präpariert sein, daß nach der Einfassung des Innenteils die beiden Teile mittels ineinander greifender Vorsprünge und Außnehmungen drehfest miteinander verbunden sind. Selbstver- ständlich können diese Vorsprünge bzw. Außnehmungen ebenfalls in dem erwähnten Prägeverfahren hergestellt werden, wobei zusätzlich eine Anlagekante zum Ausrichten des Innenteils vorgesehen werden kann. Das Außen- und Innenteil kann gegebenenfalls auch als Spritzteil ausgebildet sein, wobei das hohlzylindrische Teil vorzugsweise nach seiner Herstellung in eine Spritzform eingelegt werden kann, wobei das Innenteil direkt an die entsprechende Mantelfläche des hohizylindrischen Teils angespritzt werden kann. Die Mantelfläche des hohizylindrischen Teils kann selbstverständlich mit Außnehmungen versehen sein, in die die Spritzmasse eindringt, so daß eine drehfeste Verbindung zwischen dem Innenteil oder dem Außenteil und dem hohizylindrischen Teil gewährleistet ist.

Als weitere Variante zur Verbindung des hohizylindrischen Teils mit einem Innenteil wird vorgeschlagen, daß das hohlzylindrische Teil zur Vergrößerung seines Innendurchmessers zunächst erwärmt wird. Das vergleichsweise kalte Innenteil wird nun in das hohlzylindrische Teil eingeführt, das im Anschluß daran abgekühlt wird. Infolge eines Schrumpfvorganges des hohizylindrischen Teils reduziert sich nun dessen Innendurchmesser und schrumpft auf das Innenteil auf. Auf diese Weise kann bereites eine drehfeste Verbindung hergestellt sein. Zusätzlich mag es aber auch zweckmäßig sein, daß das Innenteil und das hohlzylindrische Teil mit Vorsprüngen und Ausnehmungen ineinander greifen, so daß nach Abschluß des Schrumpfvorganges die Schrumpfkräfte lediglich eine Fixierung der beiden zusammengefügten Teile in axialer Richtung bewirken. Diese axiale Fixierung hat den Vorteil, das separate Mittel zur axialen Fixierung, beispielsweise Wellensicherungsringe, entfallen können.

Weitere Vorteile ergeben sich bei einem nach dem erfindungsgemäßen Ver- fahren hergestellten ringförmigen Teil mit Innenverzahnung, wenn auf das ringförmige Teil ein Außenring montiert, insbesondere aufgepreßt wird. Der Außenring kann mit einem weiteren Maschinenelement in Wirkverbindung stehen, beispielsweise zur Übertragung von axialen Kräften von dem weiteren Maschinenelement auf das ringförmige Teil. Wenn das ringförmige Teil in dem Außenring fest gehalten ist, kann die Verbindung der umfangsseitigen Enden des ringförmigen Teils mittels einer Schweißverbindung entfallen; das Festhalten kann beispielsweise durch Aufpressen des Außenrings auf das ringförmige Teil erreicht werden. Mit den erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch problemlos komplizierte Formgebungen der Zähne des Zahnprofils verwirklichen. Beispielsweise lassen sich konische Erweiterungen an den Stirnseiten einer konischen Innenverzahnung dadurch realisieren, daß jeder Zahn einen erhöhten Mittelbereich und zu bei den Stirnseiten abgesenkte Endbereiche aufweist. Diese Kontur kann beispielsweise in einem Prägewerkzeug bzw. Prägewalze problemlos berücksichtigt werden. Ein Versuch, derartige Formen beispielsweise im Tiefziehverfahren zu erzeugen, scheitert oftmals daran, daß die für die Erstellung eines derartigen Profils notwendigen Hinterschneidungen nur unter großem Aufwand, wenn überhaupt, an dem Werkzeug zu verwirklichen sind.

Nachstehend werden das erfindungsgemäße Verfahren und danach hergestellte Gegenstände in insgesamt 12 Figuren näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Figur 1 ein Halbzeug mit angeprägtem Zahnprofil;

Figur 2 das Halbzeug nach Figur 1 mit einheitlichem Zahnprofil;

Figur 3 das Umbiegen des Halbzeugs aus Figur 2 in Kreis- form zur Bildung eines Zahnrades unter Einfluss eines Innenteils;

Figur 4 einen Längsschnitt durch den Zahnkranz gemäß

Figur 3;

Figur 5 einen weiteren Zahnkranz;

Figur 6 einen Längsschnitt duch den Zahnkranz in Figur 5; Figuren 7 bis 9 mögliche Ausgestaltungen eines Profils am Innenumfang eines Zahnkranzes;

Figur 10 eine Ansicht des Zahnkranzes in weiterer Modifizie- rung;

Figur 1 1 einen Längsschnitt durch den Zahnkranz aus Figur

10 und

Figur 12 in räumlicher Darstellung einen mit Innenverzahnung versehenen Zahnkranz.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines im Querschnitt rechteckför- migen Bandes 1 , dessen obere Seite größerenteils mit einem aus Zähnen 2 gebildeten Zahnprofil versehen ist. Beispielhaft sind unterschiedliche Formgebungen der Zähne 3 abgebildet: Von links nach rechts zeigt Figur 1 Zähne 3, die über ihre gesamte axiale Erstreckung eine gleichbleibende Kontur aufweisen, die anschließende mittlere Formgebung sieht vor, daß die Zähne 2 im mittleren Bereich eine rechteckförmige Ausnehmung 3 aufweisen. Die daran anschließenden Endbereiche 5 sind abgesenkt. Das Vorsehen der rechteckförmigen Ausnehmungen 3, bzw. der abgesenkten Endbereiche 4 ergibt sich aus dem vorgesehenen Anwendungsfall von Zahnkränzen 5 , die aus längserstreckten Stücken des Bandes 1 erstellt werden. Für alle gezeigten Formgebungen der Zähne 2 eignen sich in besonders günstiger Weise die an sich bekannten Präge- und Rollierverfahren, wobei die eine der beiden nicht dargestellten Trägerwalzen mit einer entsprechenden Gravur zur Erzeugung der Zahnform versehen ist. Figur 2 zeigt das Band aus der Figur 1 , jedoch mit einer einheitlichen Formge- bung der Zähne 2.

Figur 3 zeigt das mit dem Zahnprofil 2 versehene Band 1 , wobei der Darstellung zu entnehmen ist, daß das Band 1 aus seiner Ebene in eine Kreisform gebogen wird, wobei - wie abgebildet - ein Innenteil 6 umfaßt werden kann. Das Innenteil 6 ist dabei in einer Nut 7 einer Gegenfläche 8 des Bandes 1 eingesetzt, wobei die Gegenfläche 8 der mit der Verzahnung 2 versehenen Fläche gegenüberliegt. Das Innenteil 6 ist mit Bohrungen 6a versehen, die beispielsweise eine Befestigung des Zahnkranzes 5 an einer nicht dargestellten Welle bzw. Nabe mittels einer Schraubverbindung ermöglichen. Der Längsschnitt gemäß Figur 4 zeigt deutlich die Anordnung des Innenteils 6 in der Nut 7, wobei die seitlichen Begrenzungen der Nut 7 Anlagekanten 9 für das Innenteil 6 bilden. Auf diese Weise ist das Innenteil 6 gegenüber dem hohlzylin- drischen Teil 1 einwandfrei ausgerichtet. Figur 5 zeigt deutlich die Verbindung der umfangsseitigen Enden des Bandes 1 mittels einer Schweißverbindung 10. Figur 6 zeigt den Zahnkranz 5 aus Figur 5 im Längsschnitt, mit modifizierter Gegenfläche 8, die an beiden Stirnseiten konusförmige Erweiterungen 1 1 , 12 aufweist. Diese konusförmigen Erweiterungen 1 1 , 12 lassen sich problemlos beispielsweise an einer nicht dargestellten Walze einer Prägevorrichtung durch konische Erweiterungen an deren Enden vorsehen. Zwischen den konusförmigen Erweiterungen 1 1 , 12 ist ein eine Anlagekante 1 3 bildender Versatz vorgesehen, wobei die Anlagekante 13 für das Innenteil 6 vorgesehen ist.

Die Figur 7 bis 9 zeig in gebrochener Darstellung jeweils einen Ausschnitt des Zahnkranzes 5 mit Variationen der Formgebung der Gegenfläche 8. Gemäß Figur 7 sind an der Gegenfläche 8 zu beiden Stirnseiten Nuten 14 vorgesehen, die sich ebenfalls problemlos an Walzen der nicht dargestellten Prägevorrichtung vorsehen lassen. Die inneren axialen Begrenzungen der Nuten 14 bilden Anlagekanten 1 5 für nicht dargestellte Innenteile. Gemäß Figur 8 ist lediglich an einer Stirnseite eine Nut 14 vorgesehen. Gemäß Figur 9 ist eine weitere Nut 15 vorgesehen, die zwischen den beiden Nuten 14 angeordnet ist. Die Formgebung der inneren Mantelfläche macht deutlich, daß hohlzylindrische Teile, die im Tiefziehverfahren hergestellt werden sollen, nicht oder nur unter großem Aufwand mit einer derartigen Innenkontur versehen werden können, da derartige Tiefziehwerkzeuge wegen der notwendigen Hinterschneidung nicht, bzw. nur in sehr aufwendiger Art und Weise ausgebildet werden können. Gleichzeitig wird deutlich, daß bekannte Umformverfahren wie beispielsweise das bereits erwähnte Prägen oder Rollieren sich in besonders günstiger Weise für das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren eignen.

Die Figuren 10 und 1 1 zeigen eine weitere Modifizierung der Kontur der inneren Mantelfläche des Zahnkranzes 5, an der mehrere über den Umfang verteilt angeordnete, achsparalelle Nuten 1 7 ausgebildet sind, in die Vorsprünge 18 eines Innenteils 19 eingreifen, wobei ein Teilstück des Innenteils 19 gestrichelt dargestellt ist.

Figur 12 zeigt einen weiteren Zahnkranz 20 mit Innenverzahnung 21 . Wie bereits oben ausgeführt, wird beispielsweise ein Band an einer Seite mit der Innenverzahnung versehen, anschließend in eine Kreisform gebogen, wobei die innere Mantelfläche die Innenverzahnung 21 aufweist. Ein Außenring 22 ist auf die glatte äußere Mantelfläche des Zahnkranzes 20 aufgezogen, wobei der Außenring 22 lediglich teilweise gestrichelt dargestellt ist. Der Außenring 22 läßt sich ebenfalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur zur Herstellung von mit einem Zahnprofil versehenen hohizylindrischen Teilen, sondern unabhängig von einem derartigen Zahnprofil auch für solche hohizylindrischen Teile, deren Mantelfläche mit einem beliebigen Profil wie beispielsweise umlaufende Rillen versehen werden soll. Im vorliegenden Fall ist der Außenring 22 mit einer glatten äußeren Mantelfläche versehen. Selbstverständlich kann diese Mantelfläche beispielsweise als Führungsfläche für einen Riemen ausgebildet sein.

Bezugszahlenliste

Band Zahn rechteckförmige Ausnehmung abgesenkter Endbereich Zahnkranz Innenteil a Bohrung Nut Gegenfläche Anlagekante 0 Schweißverbindung 1 konusförmige Erweiterung 2 konusförmige Erweiterung 3 Anlagekante 4 Nut 5 Anlagekante 6 Nut 7 Nut 8 Vorsprung 9 Innenteil 0 Zahnkranz 1 Innenverzahnung 2 Außenring