Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Gangrads mit Kurz erzahnung
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines
Gangrads mit Kurzverzahnung, wobei in einer ersten Umformstufe ein Gangradkörper im Gesenk geschmiedet wird und die Kurzverzahnung in wenigstens einer weiteren Umformstufe durch Kaltkalibrieren im Gesenk mittels eines Formwerkzeugs mit fächerartig angeordneten Formteilen, deren Formenden in die Zahnzwischenräume einstechen, fertig geformt wird.
Nach einem bekannten Verfahren (DE 2040413) zur Herstellung einer Kurzverzahnung an einem Gangrad eines Schaltgetriebes ist vorgesehen, dass ein Teilzahnrad mit Kurzverzahnung getrennt hergestellt wird, welches daraufhin mit dem die Antriebsverzahnung tragenden Teil des Gangrads verschweißt wird. Bei der Herstellung der Kurzverzahnung des Teilzahnrads werden die Zähne der Kurzverzahnung zunächst durch Pressen im Gesenk mit parallel verlaufenden Zahnflanken hergestellt. Danach schließen sich zahlreiche Umformschritte durch Kaltkalibrieren bis zur Fertigstellung der genauen Zahnform der Kurzverzahnung an. Dabei geht es um die Ausbildung einer Dachform im Zahnkopfbereich sowie einer
Hinterschneidung im Bereich der Zahnflanken, wofür eine besondere Anschrägungsvorrichtung mit fächerartig in die Zwischenräume der Kurzverzahnung einstechenden Formteilen vorgesehen ist. Die einzelnen Formteile sind schwenkbar gelagert und bewirken mit ihren eingeschwenkten Enden das Kalibrieren der Zahnzwischenräume.
In Folge der zahlreichen Bearbeitungsvorgänge verursacht das bekannte Verfahren hohe Herstellungskosten. Bei der Bearbeitung der Kurzverzahnung durch die verschwenkbaren Formteile kommt es bei der Materialumformung zu Überlappungen, wodurch sich im späteren Betrieb Funktionsstörungen ergeben können.
Dem gegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, an einer Vorrichtung und an einem Verfahren der eingangs genannten Art die Nachteile des bekannten Herstellungsverfahrens zu vermeiden, insbesondere die Herstellung einer Kurzverzahnung an Gangrädern zu ermöglichen, welche sich durch eine verbesserte Genauigkeit der Kurzverzahnung auszeichnet und einen störungsfreien dauerhaften Einsatz gewährleistet. Was das Herstellungsverfahren als solches betrifft, so soll es eine hohe Produktionsrate bei langen Standzeiten der Gesenkbauteile ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Formteile des Formwerkzeugs gemeinsam zwischen einer oberen und einer unteren Aufnahmeplatte geführt und in einer Richtung radial nach innen bewegt werden, derart, dass für die präzise Ausbildung der Zähne der Kurzverzahnung durch Kaltkalibrieren Material aus dem Bereich der Zahnflanken in die Zahnfußbereiche verdrängt wird. Dabei entsteht durch Materialumformung eine Kurzverzahnung mit hoher Formgenauigkeit sowohl der eigentlichen Zahnform als auch der Zahnzwischenräume.
In Folge der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Materialumformung kommt es zu einer vollständigen Füllung der Gesenkhohlform im Bereich der
Zahnköpfe. Durch die dabei erreichte scharfkantige Ausbildung der Unterkanten der Dachflächen im Bereich der Zahnköpfe - in Verbindung mit dem Hinterschnitt der Zahnflanken - werden zuverlässig Gangfehler durch axiales Trennen der geschalteten Antriebsverbindung, sog. Gangspringer, vermieden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Richtung des Einstechens der Formteile des Formwerkzeugs schräg zum Fußraum der Zähne hin gewählt wird, so dass nach dem vollständigen Füllen der Gesenkhohlform noch überschüssiges Material in einen an den Fußraum angrenzenden Gesenkhohlraum verdrängt wird.
Dabei wird die als nachteilig erkannte Überlappung des Materials als Folge einer Kaltumformung mit nur oberflächlicher Materialverschiebung vermieden.
Um ein präzises Arbeiten der Formteile zu gewährleisten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Gangradkörper während des Kaltkalibrierens gegen die obere Aufnahmeplatte unter einer hydraulischen Last federnd angepresst wird, während die Formteile zwischen oberer und unterer Aufnahmeplatte gegen einen Anschlag nach innen verschoben werden. Durch das federnde Anpressen werden die beiden Aufnahmeplatten axial fixiert.
Auf die Genauigkeit der Zahnausformung hat die Kinematik der Verschiebung der Formteile maßgeblichen Ein- fluss. Vorteilhaft ist deren gleichzeitige und
gleichmäßige Verschiebung mittels eines vertikal betätigbaren Betätigungsrings über ineinander greifende kegelförmige Druckflächen an Formteilen und Betätigungsring, so dass die Formenden der Formteile stets unter gleichbleibenden Bedingungen in die Zahnzwischenräume hinein gedrückt werden. Dabei ist eine enge Führung der Formteile zwischen oberer und unterer
Aufnahmeplatte besonders vorteilhaft.
Eine hinsichtlich Standzeit des Gesenks einerseits und Präzision der hergestellten KurzVerzahnung andererseits besonders geeignete Verfahrensvariante besteht darin, dass die Kurzverzahnung in zwei Kalibrierschritten geformt wird, wobei die Zähne der Kurzverzahnung in einem ersten Kalibrierschritt mit achsparallelen Zahnflanken geformt und in einem zweiten Kalibrierschritt mittels der Formteile des Formwerkzeugs mit Hinterschnitt der Zahnflanken und anschließender Fußausrundung fertig kalibriert werden.
Diesen zwei Kalibrierschritten geht als erster Umformschritt das Schmieden der KurzVerzahnung im Gesenk voraus. Dabei gelingt es, die Kurzverzahnung im
Kopfbereich mit Bezug auf die Dachform der Zähne weitgehend fertig herzustellen, d.h. die spätere Umformarbeit durch die nachfolgenden Kalibrierschritte im
Interesse einer Steigerung der Formgenauigkeit und der
Standzeit der Gesenke auf ein Mindestmaß zu beschränken.
Die zunächst achsparallel geschmiedeten Zahnflanken der Kurzverzahnung erhalten vorteilhaft ihren Hinterschnitt erst durch den Kalibrierschritt mittels des gefächerten Formwerkzeugs .
Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- gemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Formteile des Formwerkzeugs einzelne flache Schiebeteile sind, welche umlaufend in zur Gesenkachse axialen Ebenen mit der Umfangsteilung der KurzVerzahnung entsprechenden Winkelabständen angeordnet sind.
Eine Verschiebung der Schiebeteile mit hoher Genauigkeit ist nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung dadurch erreichbar, dass die .Schiebeteile zwischen einer oberen und einer unteren Aufnahmeplatte des Gesenks geführt und in einer Richtung nach radial innen aus einer Ausgangsposition in eine der fertigen Zahnform entsprechende Endposition verschiebbar sind.
Vorteilhaft ist dabei vorgesehen, dass der Gangradkörper derart im Gesenk gelagert ist, dass die Kurzverzahnung mit den Zahnköpfen nach unten weist.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Verschiebung der Schiebeteile schräg zur Gesenkachse etwa gegen den Fußbereich der Kurzverzahnung gerichtet ist. Eine geeignete Schräge der Schieberichtung beträgt zwischen 5° und
20°, bevorzugt zwischen 10° und 15° und besonders bevorzugt etwa 12°. Dabei werden die Schiebeteile sowohl radial als auch axial bewegt bis zum Erreichen einer radial inneren Anschlagposition.
Mit dem Ziel eines möglichst vibrationsfreien, durch Biegekräfte weitgehend unbeeinflussten Verfahrensablaufs wird erfindungsgemäß ferner vorgeschlagen, dass obere und untere Aufnahmeplatte fest miteinander verbunden sind und Führungen für die Aufnahme der Schiebe- teile begrenzen und dass - in einer weiteren
Ausgestaltung - die untere Aufnahmeplatte auf ihrer radial inneren Seite mit einem zum Gangradkörper hinweisenden Kragenteil endet, dessen radial äußere Um- fangsfläche als Anschlag in der Endposition der
Schiebeteile dient.
Der Kragenteil bietet den zusätzlichen Vorteil, dass dessen Oberseite einen Sitz zur Auflage eines ringförmigen Vorsprungs des Gangradkörpers bildet, also der Gesenkstatik dienlich ist.
Auf diese Weise gelingt es, einen Gesenkaufbau zu verwirklichen, mit welchem unter Berücksichtigung der speziellen Querschnittsform des jeweiligen Gangrads die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung optimal erreichbar ist.
Zur Betätigung der Schiebeteile eignet sich besonders vorteilhaft ein die Schiebeteile außen einhüllender Betätigungsring, bei dessen vertikaler Versetzung die
Schiebeteile über ineinander greifende konische Druckflächen an Schiebeteilen und Betätigungsring in ihre Endposition bis zur Anlage am Umfang des Kragenteils verschiebbar sind.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert . Es zeigt
Fig. 1 Einen Axialschnitt durch ein erstes Kalibriergesenk
Fig. 2 Einen Axialschnitt durch ein zweites Kalibriergesenk
Fig. 3 Eine vergrößerte Teilansicht zu Fig. 2 und
Fig. 4 Eine perspektivische Ansicht des Gangrads nach Fertigstellung der Kurzverzahnung
Fig. 1 zeigt den Aufbau eines ersten Kalibriergesenks zum Kaltkalibrieren der Kurzverzahnung eines Gangrads für ein Schaltgetriebe.
In dieser Umformstufe, auf welche ein zweiter Kalibrierschritt, wie in Fig. 2 dargestellt, folgt, wird ein in einem vorangegangenen Schmiedegesenk geschmiedeter Gangradkörper 1 in das erste Kalibriergesenk eingelegt. Dabei werden die bereits im Schmiedegesenk (nicht dargestellt) ausgeformten Zähne der Kurzverzahnung hinsichtlich ihrer Formgenauigkeit verbessert. Diese
Verbesserung besteht neben einer hohen Maßgenauigkeit der radialen Abmessungen insbesondere darin, dass die
Zähne 15 (vgl. Fig. 4) im Bereich des Zahnkopfes 22 eine präzise Dachform mit scharf ausgebildeten Dachkanten 40 erhalten. Die Zahnflanken auf beiden Seiten jedes Zahns 15 verlaufen vom Zahnkopf zum Zahnfuß hin parallel zueinander, d.h. die Zähne besitzen nach dem ersten Umformschritt des Kaltkalibrierens im ersten Kalibriergesenk gemäß Fig. 1 eine über ihre gesamte Länge gleichbleibende Zahnbreite.
Der Gesenkaufbau nach Fig. 1 umfasst von oben nach unten einen Niederhalter 2, welcher auf dem Gangradkörper 1 aufsitzt, der wiederum von unten in der Matritze 3 des Untergesenks aufgenommen ist. Ein Auswerfer 4 greift mit seinem oberen Ende in die Mittelbohrung 5 des Gangradkörpers 1 ein, indem er mit einem umlaufenden Rand 6 seiner Stirnseite in einer Erweiterung der Mittelbohrung 5 aufgenommen ist .
Niederhalter 2 und Matritze 3 sind jeweils innerhalb zylindrischer Gehäuseteile eingepasst. Auf diese Weise ist der Niederhalter 2 innerhalb eines Führungsrings 7 geführt und die Matritze 3 ist innerhalb eines ersten Gesenkrings 8 fixiert, der wiederum innerhalb eines äußeren Gesenkrings 9 sitzt und mittels Schrauben 12 mit einer Grundplatte 10 verbunden ist. Eine auf der Grundplatte 10 lagernde Gesenkplatte 11 greift in den inneren Gesenkring 8 ein, auf welchem die Matritze 3 gelagert ist.
Der Gangradkörper 1 besitzt einen seine Mittelbohrung 5 umgebenden Nabenteil 13, der nach unten hin mit einem Konusteil 14 endet. Der Außenkonus des Konusteils 14 dient beim Schalten des Gangrads zur Anpassung der Rotationsgeschwindigkeit einer Kupplungsmuffe an die des Gangrads mittels eines Synchronrings, dessen Innenkonus auf den Außenkonus 41 des Konusteils 14 auffährt. In Fig. 4 ist der Außenkonus 41 des Konusteils 14 an einem Gangrad 1 mit fertig geformter Kurzverzahnung 15 deutlich dargestellt.
An den Konusteil 14 des Nabenteils 13 schließt sich radial nach außen hin über eine Abstandsrinne 16 ein Verzahnungskörper 17 an, an dessen Außenumfang die Kurzverzahnung 15 wie in Fig. 4 dargestellt, angeformt ist. Weiter in radialer Richtung nach außen schließt sich an den Verzahnungskörper 17 außerhalb der Kurzverzahnung 15 über eine schmale Abstandsrinne 18 ein An- schlagring 19 an (vgl. Fig. 4), welcher die
Axialbewegung der Kupplungsmuffe begrenzt. Erst daran schließt sich weiter in radialer Richtung nach außen eine relativ breite Distanzrinne 20 zum äußeren Zahnradkörper 21 hin an, welcher für die noch spanabhebend zu erzeugende Antriebsverzahnung des Gangrads vorgesehen ist. Mittels des in Fig. 1 schematisch dargestellten ersten Kalibriergesenks gelingt es, die
Kurzverzahnung des geschmiedeten Gangradkörpers präzise auszuformen, sowohl im Bereich der dachförmigen Zahnköpfe 22 (vgl. Fig. 4) als auch im Bereich der Zahnflanken, dort zunächst aber noch mit parallelen
Zahnflanken. Deren (in Fig. 4 gezeigte) Schräge mit
entsprechender Erweiterung der Zahnzwischenräume jeweils zum Zahnfuß hin wird erst im zweiten Kalibrierschritt durch Einsatz eines Formwerkzeugs mit
fächerartig angeordneten Formteilen erzeugt, wie in Fig. 2 dargestellt. Mittels dieses Formwerkzeugs 23, welches im wesentlichen das Untergesenk des Kalibriergesenks gemäß Fig. 2 bildet, werden schräge Zahnflanken erzeugt, wie in Fig. 4 an der fertigen Kurzverzahnung dargestellt. Diese Hinterschneidung der Zähne 15 der Kurzverzahnung im Bereich ihrer Seitenflanken 24, dient der Vermeidung von Gangspringern. Das Formwerkzeug 23 ist, wie noch im folgenden detailliert beschrieben wird, dazu vorgesehen, die Zwischenräume der Kurzverzahnung derart zu bearbeiten, dass aus dem Bereich der Zahnflanken durch entsprechende Materialverdrängung Material von den Zahnflanken in die Gesenkhohlform hinein in Richtung auf den Zahnfußbereich, also zur
Abstandsrinne 18 hin verdrängt wird.
Das Kalibriergesenk gemäß Fig. 2 umfasst zwischen einer Druckplatte 25 des Obergesenks und einem äußeren Stütz - ring 26 des Untergesenks einen Niederhalter 27, der durch die Druckplatte 25 mittels elastomerer Druckfedern 28 niedergedrückt wird. Der Niederhalter 27 ist mit seiner unteren Formfläche derart gestaltet, dass er in die Form des Gangradkörpers 1 vollflächig eingreift und auf diese Weise den Gangradkörper 1 mit seinem äußeren Zahnradkörper 21 in Auflage auf einer oberen Aufnahmeplatte 29 hält. Die obere Aufnahmeplatte 29 ist fest mit einer unteren Aufnahmeplatte 30 verbunden, in welche Führungen zur Ermöglichung einer radialen Ver-
Schiebebewegung von Schiebeteilen 31 eingearbeitet sind. Die Schiebeteile 31 besitzen in ihrem radial äußeren Bereich nach oben zur Gesenkachse hin konisch vorspringende Druckflächen 32, welche mit entsprechend ausgebildeten Druckflächen 33 eines mit der Druckplatte 25 über Schrauben 34 verbundenen Betätigungsrings 35 zusammenwirken. Dem entsprechend werden die Schiebeteile 31 in radialer Richtung nach innen verschoben, wenn der Betätigungsring 35 mit der Druckplatte 25 nach unten fährt bis der Niederhalter 27 vermittels der Federn 28 seine untere Endposition erreicht. An ihrem inneren Ende besitzen die Schiebeteile 31 jeweils ein Formende 36, welches in der inneren Position der Schiebeteile 31 die Ausformung der Zahnzwischenräume bewirkt, indem es in diese einsticht und die Hinterschneidung der Kurzverzahnung im Flankenbereich der Zähne bewirkt . Jedes Schiebeteil 31 dient der Ausformung nur eines Zahnzwischenraums, welcher begrenzt wird von den beiden Flanken benachbarter Zähne. Für das Einstechen der
Schiebeteile 31 sind diese präzise zwischen der oberen Aufnahmeplatte 29 und der unteren Aufnahmeplatte 30 geführt, so dass die Ausbildung einer exakten Zahnform gewährleistet ist. Durch die im vorangegangenen Kalibrierschritt gemäß Fig. 1 erzeugte hohe Genauigkeit der Form der Kurzverzahnung gelingt es für den zweiten Kalibrierschritt, die Belastung des Formwerkzeugs zugunsten einer hohen Standzeit desselben zu begrenzen. Die exakte innere Endposition der Schiebeteile wird durch einen Anschlag gewährleistet, der an der unteren Aufnahmeplatte 30 ausgebildet ist. Zu diesem Zweck endet die untere Aufnahmeplatte 30 auf ihrer radial inneren
ren Seite mit einem zum Gangradkörper 1 hinweisenden Kragenteil 37, dessen radial äußere Umfangsflache 38 als Anschlag in der inneren Endposition der Schiebeteile 31 dient.
Es ist besonders vorteilhaft, die Schiebeteile 31 derart zu führen, dass sie bei ihrer formgebenden Radialbewegung zur Gesenkachse hin schräg zu dieser
angestellt sind, derart, dass die Materialverdrängung im Bereich der Zahnzwischenräume nach oben hin in Richtung auf den Zahnfußbereich erfolgt, wo das überschüssige Material von den Zahnflanken in den Zahnfußbereich und evtl. in einen darüber anschließenden freien
Gesenkhohlraum verdrängt werden kann, welcher sich unterhalb der Abstandsrinne 16 (Fig. 3) befindet.
Die Schräge der Schieberichtung der Schiebeteile 31 beträgt vorteilhaft zwischen 5° und 20°, am Beispiel des in Fig. 2 dargestellten Kalibriergesenks etwa 12°.
Neben seiner Funktion als innerer Endanschlag für die Schiebeteile 31 dient der Kragen 37 der unteren Aufnahmeplatte 30 mit seiner oberen Stirnfläche der Auflage des Verzahnungskörpers 17 des Gangradkörpers 1, so dass störende Vibrationen im Eingriffsbereich der Formenden 36 der Schiebeteile 31 vermieden werden.
Der in Fig. 3 gezeigte schematische Ausschnitt zu Fig. 2 stellt ein Schiebeteil 31 in zwei Positionen seiner inneren Kante dar, nämlich in strichlierter Darstellung in der zurückgezogenen Ausgangsposition PA und mit
durchgezogenen Linien in seiner formgebenden Endposition PE. Diese begrenzt die Schiebebewegung gemäß Pfeil P2 nach innen, wobei das Formende 36 des Schiebeteils 31 maximal in einen Zahnzwischenraum einsticht und dabei die Endform des Zwischenraums zwischen zwei benachbarten Zähnen ausformt. Oberhalb des Formendes 36, nämlich zwischen dessen oberer Kontur und der benachbarten Abstandsrinne 16 befindet sich ein schmaler Gesenkhohlraum, in welchen überschüssiges, das bei der Formgebung des Zahnzwischenraums umgeformte Material einfließen kann, ohne dass es dabei zu Materialüberlappungen kommt. Diese günstige Verlagerungsrichtung des Materials ergibt sich dadurch, dass das Schiebeteil zur Gesenkachse hin schräg nach oben verschiebbar geführt ist, so dass sich zwingend die erläuterte Richtung der Materialverschiebung in den Zahnfußbereich und ggf . noch in die Abstandsrinne 16 hinein ergibt.
In Fig. 3 erkennt man auch die axiale Erstreckung des Schiebeteils 31, nämlich bis zur Unterkante 39, welche in einer Nut in der unteren Aufnahmeplatte 30 aufliegt und innerhalb dieser Nut verschiebbar gelagert ist. Die in Fig. 3 gezeigte Endposition PE des Schiebeteils entspricht dessen Darstellung in Fig. 2, rechte Seite. Die in Fig. 3 strichliert gezeichnete zurückgezogene Position PA entspricht der Darstellung des Schiebeteils 31 gemäß Fig. 2, linke Seite.
Die Befestigung der oberen Aufnahmeplatte 29 auf der unteren Aufnahmeplatte 30 ist in der Zeichnung nicht näher dargestellt. Die obere Aufnahmeplatte 29 ist als
durchgehende ringförmige Platte ausgebildet, wobei sie mit ihrer Unterseite die Führung der Schiebeteile 31 nach oben begrenzt, derart, dass die Schiebeteile 31 allseitig geführt sind.
Das Gangrad mit fertig geformter Kurzverzahnung, wie in Fig. 4 dargestellt, kann nach dem Öffnen des Gesenks, d.h. mit in ihre Ausgangsposition PA zurückgesetzten Schiebeteilen und mit Abheben der Druckplatte 25, an deren Unterseite der Betätigungsring 35 befestigt ist, nach oben aus dem Untergesenk entnommen werden. Dabei weisen die Zahnköpfe 22 der Kurzverzahnung nach unten. Danach wird in einem spanabhebenden Verfahren die Antriebsverzahnung in den Zahnkörper 21 eingeschnitten. Es versteht sich von selbst, dass vorher der Außenumfang des Zahnkörpers 21 zusammen mit der Mittelbohrung des Gangrads und dem Konusteil 14 zentrisch bearbeitet werden .