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Induktor für das Oberflächenerwärmen von Zahnrädern Zum Oberilächenhärten
der Zähne von Zahnrädern wird im allgemeinen so verfahren, daß das Zahnrad induktiv
an der Oberfläche erhitzt und an schließend durch Abspritzen oder Eintauchen in
ein Abschreckmittelbad gehärtet wird. Es werden hierbei das Zahnrad umfassende,
ein- oder mehrwindige Induktoren verwendet, und das Zahnrad ruht während des Aufheizens
oder läuft dabei um, je nachdem welche dieser beiden Methoden im gegebenen
Fall für zweckmäßiger gehalten,wird. Dieses Verfahren hat Nachteile, weil bei einer
gegebenen Frequenz nur bei einer ganz bestimmten Zahnform und Zahngröße bzw. einem
bestimmten Modul ein Aufheizbild erzielt wird, das zu einer konturentreuen Härtung
führt. Bei einer gegebenen Frequenz ist es daher nur möglich, eine bestimmte Zahngröße
wirklich erfolgreich zu härten, und so ist beispielsweise für eine Freqenz von
10 000 Hz die ideale Zahngröße bei einem Modul zwischen 8 und
10 gegeben. Hat das Zahnrad einen größeren Modul, so eilt die Temperatur
im Zahnkopf vor, und es wird im Bereich des Zahngrundes keine hinreichende Härtung
erzielt. Ist der Modul des Zahnrades dagegen kleiner, so eilt die Temperatur im
Bereich des Zahngrundes vor. Ein Überhitzen am Zahnkopf bzw. am Zahngrund kann nur
dadurch vermieden werden, daß mit verhältnismäßig kleiner Leistungsdichte gearbeitet
wird, und das führt dazu, daß das Erhitzungsbild der Zahnform nicht konturengetreu
folgt.
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Es ist zwar möglich, durch entsprechendes Verwenden von Stählen, die
Schalenhärter sind, oder durch Vorwärinen bzw. durch Aufheizen in gewissen Stufen,
zu erreichen, daß bei einer gegebenen Frequenz auch ein weiter Modulbereich bearbeitet
werden kann. Es können auch gewisse Konzessionen hinsichtlich des gewünschten Härtebildes
gemacht werden, um hinsichtlich der zu bearbeitenden Modulgröße nicht zu sehr beschränkt
zu sein. In jedem Falle aber wird kein ideales Härtebild und keine in jeder Weise
befriedigende Härte erzielt. Hier bringt auch keine Abhilfe die Verwendung von Induktoren,
die an der Innenwandung mit einer Kontur versehen sind, die der Verzahnung entspricht.
Auch mit diesen das Werkstück umfassenden Induktoren läßt sich eine ideale Härtung
von Zahnrädern auf einen weiten Modulbereich nicht erzielen.
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Das Einfachste wäre technisch gesehen, wenn eine Wechselstromquelle
benutzt wird, die stufenlos regelbar ist. Ein Generator, der von einem stufenlos
regelbaren Motor angetrieben wird, wäre ausreichend. Nachteilig sind aber hierbei
die hohen Kosten für eine derartige Anlage, die außerdem mit einem verhältnismäßig
schlechten Wirkungsgrad arbeiten müßte. Es wäre ferner denkbar, Zahnräder über einen
weiter gespannten Modulbereich zu härten, indem beim elektroinduktiven Erwärmen
zwei verschiedene Frequenzen zur Anwendung gelangen. Auch diese Lösung ist sehr
aufwendig und kompliziert. Es muß ein verhältnismäßig großer Aufwand an installierter
Leistung getrieben werden, um die großen Abweichungen in den Größen der zu härtenden
Zahnräder zu überbrücken, Infolgedessen ist der Wirkungsgrad einer solchen Anlage
ebenfalls schlecht.
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Diese Schwierigkeiten sind der Grund dafür, daß das Härten von Zahnrädern
unter induktivem Erhitzen sich praktisch nicht durchgesetzt hat und fast nur das
Einsatzhärten und Nitrieren angewendet wird.
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Zweck der Erfindung ist es, Maßnahmen vorzuschlagen, die die Nachteile
bekannter Einrichtungen weitestgehend vermeiden und die Möglichkeit bieten, daß
die benutzte Anlage mit einer festen Frequenz betrieben werden kann und dennoch
in einem äußerst weit gestreckten Modulbereich eine einwandfreie, konturentreue
Erhitzung und damit Härtung von Zahnrädern erlaubt. Es muß also vermieden werden,
daß bei einer in bezug auf den Modul des Zahnrades zu niedrigen Frequenz die induzierten
Ströme fast ausschließlich im Bereich des Fußkreises des Zahnrades sich konzentrieren.
In diesem Falle erfolgt der hauptsächliche Wärinestau am Zahnfuß, in der Zahnlücke
und im Bereich des Fußkreises, während der Zahn selbst in der Temperatur zurückbleibt
und nur durch Wärmeleitung durchwärmt wird. Andererseits muß vermieden werden, daß
bei einer, bezogen auf die Zahngröße, zu hohen Frequenz
sich die
Wärme, im Zahnkopf konzentriert, der sich infolgedessen schneller erwärmt aW der
Zahnfaß.
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überraschenderweise gelingt es, diese Schwierigkeiten durch eine ganz
einfache Maßnahme, zu beseitigen, und zwar mit einem Induktor, der das konturentreu
zu erwärmende Zahnrad umfaßt, welches während der Erwärmung in Umlauf
- versetzt wird. Die Maßnahme besteht erfindungsgemäß darin, daß wirksame
Abschnitte des Induktors in einem von 901 abweichenden Winkel zu seiner Achse
angeordnet sind. Es sind somit auf dem Umfang des Induktors eine Anzahl Schrägabschnitte
vorhanden, die sich mindestens über die Zahnbreite erstrecken. Vorzugsweise ragen
sie an beiden Seiten über das Zahnrad hinaus, das sich im Spuleninnenraum befindet.
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Es ist zwar für das Oberflächenerwärmen von ebenen Werkstücken bekannt,
Induktoren mit gewellten oder im Zickzack verlegten Heizleitern zu verwenden, die
zur gleichmäßigen Verteilung der Wärme hin- und herbewegt werden. Es konnte aber
nicht erwartet werden, daß eine zickzackartige Verlegung des Heizleiters dazu führt,
ein umlaufendes Zahnrad an der Oberfläche konturentreu zu erwärmen.
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Die Schräglage der einzelnen Abschnitte gestattet eine Anpassung an
die Frequenz des angewendeten Induktorstromes oder - da im allgemeinen bei
der Anlage die Frequenz festliegt - eine Anpassung -unterschiedlicher Zahnradgrößen
bzw. Zahnradmodule. Bei gegebener Frequenz wird der Winkel der Schräglage um so
kleiner gewählt, je kleiner die Zahnbreite ist. Bei ganz kleinen Zähnen von
geradeverzahnten Stirnrädern kann es sich ergeben, daß der Winkel der Schrägstellung
sich dem Nullwert nähert oder ganz Null wird, d. h. daß sich der wirksame
Induktorabschnitt parallel zu den Zähnen erstreckt. Die Frequenz für die Anlage
wird hierbei zweckmäßigerweise so gewählt, daß das Zahnrad mit dem größten Modul
mit einem Ihduktor konturentreu erhitzt werden kann, dessen Wirkabschnitte praktisch
keine Schrägstellung oder nur eine sehr - ge ringe Schrägstellung C aufweisen.
Das bedeutet also, daß in diesem Falle ein normaler umfassender Induktor verwendet
wird. Für kleinere Module werden sodann Induktoren verwendet, bei denen die wirksamen
Abschnitte entsprechend schräg gestellt sind. Wenige Stichversuche genügen, um die
erforderliche Schrägstellung für die einzelnen Module zu ermitteln. Bei schrägver-zahnten
Stirnrädern ist entsprechend zu verfahren. Bei gleichem Modul ist der Winkel der
Heizleiter zur Achse des Rades naturgemäß größer als bei geradverzahnten Stirnrädern.
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Für die praktische Verwirklichung ergeben sich verschiedene Möglichkeiten.
So können die auf dem Umfang mehrfach vorgesehenen Schrägabschnitte sich in Zickzack-Form
spitzwinklig aneinanderreihen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß sich
auf dem Umfang Schrägabschnitte mit achsparallelen Abschnitten abwec hseln. Die
auf dem Umfang mehrfach vorgesehenen Schrägabschnitte können geometrisch parallel
zueinander verlaufen und durch eckige oder runde, außerhalb der Zahnradbreite angeordnete
Verbindungsstücke elektrisch in Reihe geschaltet sein. Während die letztgenarinte'
und auch die voraufgehend geschilderten Ausführungsformen -eine elektrische Reihenschaltung
der Wirkabschnitte aufweisen, ist es auch möglich, die Anordnung so zu treffen,
daß die Schrägabschnitte untereinander parallel geschaltet sind. Zu diesem Zweck
werden außerhalb der Zahnradbreite zwei Stromzuführungsringe vorgesehen, zwischen
denen sich die Schrägabschnitte befinden, die gleiche oder unterschiedliche Winkel
mit der Induktorachse eihschließen können.
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In den Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgedankens.
dargestellt, und zwar sind sowohl das Zahnrad als auch der Induktor in die Ebene
abgewickelt. In den einzelnen Ab-
bildungen ist jeweils bei 1 die Abwicklung
des Zahnrades mit--den:--Zahnk'(jpfeii2 dargestellt. - - '--' Gemäß
A b b. 1 ist ein das Werkstück umfassender Induktor mit Abschnitten
3 und 4 vorgesehen, die zur Achse des Induktors und damit zur Zahnkopfrichtung
AA einen Winkel 5 bilden, der kleiner ist als 9011.
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Die einzelnen Äste, 3 und 4 reihen sich. im Zickzack ane'Inander
und stehen Über den Seiten des Zahnrades 1 um Beträge über, die bei
6 angedeutet sind. Dieses überstehen ist von Einfluß auf das entstehende
Erhitzungs- und damit Härtebild. Welches Maß des überstehens zu wählen ist, ergibt
sich durch einige einfache Stichversuche.
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Bei einer gegebenen Frequenz wird der Winke15 größer, wenn Zahnräder
mit größerem Modul behandelt werden sollen, und umgekehrt wird der Winke15 kleiner,
wenn der Modul der behandelten Zahnräder abnimmt.
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Bei der Ausführungsform nach Ab b. 2 wechseln Schrägabschnitte
7 mit Abschnitten 8 ab, die parallel zur ZahnkopfrichtungAA verlaufen.
Ein Induktor dieser Art ist besonders geeignet, wenn Zahnräder behandelt werden
sollen, die eine Schrägverzahnung aufweisen, pfeilverzahnt sind oder eine Spiralverzahnuiig
haben.
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In A b b. 3 ist eine Ausführungsforin des Induktors dargestellt,
bei welchem der Anschluß der Schrägabschnitte 9 und 10 aneinander
durch Verbindungsstücke erfolgt, die entweder, wie bei 11 angedeutet, eckig
oder, wie bei 12 dargestellt, rund sein können. Die einzelnen Abschnitte
9 und 10 können, wie im gewählten Beispiel dargestellt, geometrisch
parallel zueinander verlaufen. Es sind aber auch Abweichun-2' en von dieser Parallelität
möglich. Die Abschnitte 9
und 10 erscheinen durch die Verbindungsstücke
11
-und 12 elektrisch in Reihe geschaltet.
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Während bei den Ausführungsformen nach Ab b. 1 bis
3 die einzelnen Schrägabschnitte elektrisch in Reihe geschaltet sind, ist
in Ab b. 4 eine Anordnung gezeigt, bei welcher die einzelnen Schrägabschnitte
13, 14 und 15 in Parallelschaltung zwischen zwei Zuführungsringen
16 und 17 liegen. Die Ringe 16 und 17 liegen außerhalb
des zu behandelnden Zahnrades. Wie gezeigt können die Winkel, die die Schrägabschnitte
mit der Zahnkopfrichtung AA bilden, unterschiedlich sein, je nachdem
welchen Gegebenheiten Rechnung zu tragen ist. Es ist auch möglich, gruppenweise
Unterschiede in der Winkelstellung vorzusehen.
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Bei jeder der Ausführungsformen, die auch miteinander kombiniert werden
können, ist es wesentlich, daß die Breite des Heizleiters in Umfangsrichtuna des
zu behandelnden Zahnrades unter Berücksichtigung des Moduls gewählt wird. Wenn der
Heizleiter im Verhältnis zum Modul schmal ist, so wird
bevorzugt
die Zahnkopffläche aufgeheizt, wenn der Leiter dagegen breit ist, so verteilt sich
die Heizwirkung auf die Zahnflanken und den Zahnfuß. Diese Wirkung tritt um so stärker
in Erscheinung, je kleiner die Winkel sind, die die einzelnen Schrägabschnitte
mit der Linie AA bilden.
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Die Drehzahl, mit der das zu behandelnde Zahnrad während des Erhitzens
umläuft, muß entsprechend den gegebenen Verhältnissen gewählt werden. Bei kleinen
Rädern betragen die Aufheizzeiten etwa 0,1 bis 10 Sekunden, und die
Drehzahl kann dann zwischen 200 und 5000 U/min betragen. Entscheidend ist
in jedem Fall, daß eine gleichmäßige Erwärmung auf den gesamten Umfang erzielt wird,
und hierzu trägt die Wahl einer geeigneten Umlaufgeschwindigkeit bei.
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Die Leistungsdichte soll bei der Anwendung der Induktoren gemäß der
Erfindung so hoch wie möglich gewählt werden, vorzugsweise über 3 kW/ein'
der Oberfläche, bezogen auf die Generatorleistung. Auf diese Weise wird erreicht,
daß die Aufheizzeit gekürzt wird und die erzeugte Wärme infolgedessen keine Gelegenheit
hat, in das Innere der Zähne abzuwandern. Nach erfolgtem Aufheizen muß das Rad möglichst
schnell in einer Abschreckvorrichtung abgeschreckt werden. Dies kann geschehen,
indem das Zahnrad abgebraust wird oder aber in ein Bad abgesenkt wird. Die hierfür
anzuwendenden Mittel sind an sich in der Technik des Induktionshärtens bekannt und
üblich.
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Bei der Herstellung solcher Induktoren ist es aus Wirkungsgradgründen
wichtig, die Heizleiter mit lamellierten, vorzugsweise die Heizleiter U-förinig
umfassenden Blechen auszurüsten. Bei Frequenzen unter 5000 Hz können auch
Preßkörper (Ferritkerne) verwendet werden.
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Bei Ausführungsforinen gemäß Ab b. 3 können zweckmäßigerweise
Blechringe nach Art von Statorblechen elektrischer Maschinen verwendet werden, die
mit axialen Innenmiten zur Aufnahme der Heizleiter versehen sind. Der Schrägverlauf
der Nuten im Gesamtpaket wird in einfächer Weise durch entsprechendes Verdrehen
der Einzelbleche gegeneinander erzielt, derart, daß der Verdrehungswinkel von Blech
zu Blech zunimmt.