DE19517358C1 - Verfahren zum Fertigbearbeiten der gehärteten Verzahnung eines Kegelrades - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Art und die Verwendung eines Kegel­ rades nach Anspruch 3 oder 4.

Durch das Schleifen von spiralverzahnten Kegelrädern lassen sich inzwischen sehr hohe Fertigungsgenauigkeiten bei vertretbaren Bearbeitungszeiten erreichen. Die hohen Genauigkeiten wirken sich vorteilhaft auf die kinematische Genauigkeit der Getriebe und auf die Tragfähigkeit aus. Durch optimale Tragbildgestaltung (Ease-Off-Topologie) lassen sich auch Verbesserungen im Ge­ räuschverhalten erzielen. Das gilt für den konventionellen Ge­ triebebau, insbesondere für den Bau von Bahn-, LKW- und Busge­ trieben.

Bei achsversetzten PKW-Getrieben (sogenannten Hypoidgetrieben) wird durch die konventionelle Kegelradfertigung, also durch Frä­ sen, Härten und Läppen der Verzahnung eine hohe Geräuschqualität erzielt. Hypoidräder für PKW zeichnen sich im allgemeinen durch sehr großen Achsversatz aus. Daraus resultiert eine hohe Gleit­ geschwindigkeit über den ganzen Flankenbereich, was für den Läppprozeß ausgesprochen günstig ist. Außerdem werden PKW-Ge­ triebe in sehr hohen Stückzahlen gefertigt, so daß es möglich ist, den Prozeß zu optimieren. So ist es verständlich, daß bei diesen Rädern heute mit der konventionellen Fertigung durch Frä­ sen, Härten, Läppen ein Geräuschstandard erreicht wird, der bis­ lang bei der Serienfertigung von solchen Getrieben mit Schleif­ verfahren schwer zu erreichen ist.

Ein bekannter Fertigungsablauf bei der Hypoidgetriebe-Herstel­ lung, der sich in wirtschaftlicher und in qualitativer Hinsicht bewährt hat, umfaßt nach der EP 0 229 894 B1 Verzahnen durch Fräsen oder Schneiden, Einsatzhärten und satzweises Läppen. Da­ bei besteht im allgemeinen ein Radsatz aus jeweils einem Ritzel und einem Tellerrad, welche beim Läppen zum späteren Einbau paarweise zu kennzeichnen sind. Schwierigkeiten bereitet dabei stets der nicht zu vermeidende Härteverzug und die daraus resul­ tierende Qualitätseinbuße. Durch das paarweise Läppen werden zur Verbesserung der Laufruhe der Radsätze zusätzlich zur Ver­ feinerung der Zahnflankenoberflächen zwar einzelne Eingriffsfeh­ ler behoben, Rund- und Planlauffehler bleiben jedoch erhalten. Sind solche Rund- und Planlauffehler nicht tolerierbar, müssen andere Feinbearbeitungsverfahren angewendet werden, wofür in der EP 0 229 894 B1 zahlreiche Beispiele angegeben sind. So werden bei der Großserienfertigung von Getrieben, insbesondere für PKW und LKW, z. B. Stirnräder nach dem Weichfräsen (Vorverzahnen) meist geschabt und anschließend gehärtet. Die dabei erzielte Qualität genügt den Anforderungen, weil der Härteverzug bei Stirnrädern gering ist. Bogenverzahnte Kegelräder werden wie vorste­ hend angegeben hergestellt und paarweise eingebaut. Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit soll je­ doch das feste Paaren von Ritzel und Tellerrad der Kegelradsätze wegfallen, d. h. bei der Fein- oder Fertigbearbeitung der Verzah­ nung ist der Härteverzug zu eliminieren. Für diesen Zweck be­ schreibt die EP 0 229 894 B1 ein kontinuierliches Schleifverfah­ ren, durch das sowohl die Wirtschaftlichkeit wie auch zusätzlich die Qualität von Kegelradgetrieben vorteilhaft beeinflußt wird, indem die Auswirkungen des Härteverzuges sowie Eingriffs-, Rund­ lauf- und Planlauffehler weitgehend eliminiert werden, so daß das paarweise Kennzeichnen von Ritzel und Tellerrad und deren Lagerhaltung entfallen können. Der sehr hohe Geräuschstandard, der bei der eingangs beschriebenen konventionellen Kegelradfer­ tigung durch Fräsen, Härten, Läppen erreicht wird, läßt sich durch dieses kontinuierliche Schleifverfahren aber auch nicht erreichen.

Läppen bedeutet einen zusätzlichen Arbeitsgang auf einer separaten Maschine und hat weitere Nachteile, die im folgenden angegeben sind. Zwar könnte man mit sehr hohem Auf­ wand diese Ergebnisse auch mit Schleifen allein erzielen, die Schleifzeiten wären jedoch zu lang, und die Reproduzierbarkeit wäre nicht gegeben.

Aus der DE 43 13 533 A1 ist ein kontinuierliches Hart-Feinbear­ beitungsverfahren für Kegelrad- und Hypoidverzahnungen mit be­ liebigen Zahnlängsformen bekannt, das eine Alternative zum Läp­ pen darstellen soll. Die mit einer Hartstoffbeschichtung verse­ henen Werkzeuge sind kegelradähnliche Körper. Im Prozeß wird der Materialabtrag durch Sprühen eines abrasiven Mittels zwischen Werkzeug und Werkrad erreicht. Die Nachteile des Läppens sind, daß es nicht möglich ist, wegen der individuellen Härteverzüge eines jeden Kegelrades eine gleichbleibende Qualität und eine definierte Flankengeometrie zu erzeugen, daß die Hartstoffkörner des Läppmittels sich durch den Druck zwischen den Flanken in die Oberfläche der Werkstücke eindrücken und zum Teil dort verblei­ ben, weshalb bei dem späteren Betreiben des Getriebes mit einem zu hohen Einlaufverschleiß zu rechnen ist, und daß die beiden zusammen geläppten Räder (Ritzel und Tellerrad) als Satz oder Paar bis zur Montage zusammenbleiben und mit individuell unter­ schiedlichen Einbaumaßen montiert werden müssen, was erhebliche Kosten verursacht. Bei dem Verfahren nach der DE 43 13 533 A1 wird der Prozeß auf einer Schleifvorrichtung ausgeführt, wobei der Bearbeitungsvorschub nur mittels eines Durchwälzens durch das Eingriffsgebiet erreicht wird und wobei Läppmittel (Öl ver­ mischt mit Hartstoffkörnern) in die Kontaktzone eingespritzt wird. Die Beschichtung des Werkzeuges besitzt eine höhere Härte als die abrasiven Partikel des Läppmittels, und zum Schutz des Werkzeuges kann dieses nach der abrasiven Hartstoffbeschichtung noch mit einer zusätzlichen schützenden Schicht überzogen wer­ den. Das Verfahren nach der DE 43 13 533 A1 erlangt dadurch zwar den Charakter eines Honverfahrens, bei dem es sich um eine Kombination von Läppen und Schleifen handelt, es müssen jedoch die vorstehend beschriebenen Nachteile in Kauf genommen werden, die durch den Einsatz von Läppmittel verursacht werden.

Aus der DE 34 25 800 A1 ist es bekannt, die Zahnflanken von Kegelrädern statt durch Läppen lediglich durch Honen feinzubear­ beiten, um die Geräuschentwicklung zu vermindern und die Tragfä­ higkeit durch bessere und gleichmäßigere Oberfläche zu steigern. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, daß die gehonten Kegelrä­ der ein erheblich ruhigeres Laufverhalten aufweisen und sich insbesondere zum Einsatz in Getrieben bei Kraftfahrzeugen eig­ nen, und daß die Nachteile des Läppens vermieden werden, also ein Verschmutzen durch das Läppmittel und die Gefahr, daß Läpp­ mittel auf den Flanken haften bleibt und durch Abrieb in das Ge­ triebeöl und von dort aus in die Lager gelangt und erhöhten La­ gerverschleiß verursacht, in dessen Folge falscher Zahneingriff und damit erhöhtes Geräusch und eine Verminderung der Tragfähig­ keit eintreten. Bei diesem bekannten Verfahren müssen aber die Kegelräder sehr genau vorbearbeitet sein und dürfen keinen allzu großen Härteverzug haben, damit die verlangte Genauigkeit und Geräuscharmut tatsächlich auch erreicht werden kann, weil eine Fertigbearbeitung durch Fertighonen keinen großen Materialabtrag in vertretbarer Zeit bewirken kann.

Aus der DE 38 26 029 C2 ist es bekannt, bei einem Kegelradpaar, bestehend aus Ritzel und Tellerrad, beide zu härten und dann die Verzahnung des einen nach dem Härten durch Schälwälzfräsen fer­ tigzubearbeiten und die Verzahnung des anderen durch Schleifen fertigzubearbeiten. Bei dem Schälwälzfräsen wird das betreffende Kegelrad nach dem Härten nochmals gefräst, um den Härteverzug zu beseitigen. Das Fertigbearbeiten des anderen Kegelrades durch Schleifen basiert auf der Überlegung, daß eine Paarung von Ke­ gelrädern mit gleicher Oberflächenstruktur zur Geräuschanregung in höheren Frequenzen führen kann und in der Regel ein Nachläp­ pen verlangt, wogegen sich nun durch die Paarung einer schälwälzgefrästen Verzahnung mit einer geschliffenen Verzah­ nung, wobei das eine Kegelrad eine verhältnismäßig glatte und das andere Kegelrad eine verhältnismäßig rauhe Oberflächenstruk­ tur auf seinen Flanken hat, eine Geräuschunterdrückung erzielen lassen soll. Nachteilig ist bei diesem bekannten Kegelradpaar, daß eine weitere Maschine und teuere hartmetallbestückte Werk­ zeuge erforderlich sind, mit denen die Verzahnung des einen Ke­ gelrades nach dem Härten schälwälzgefräst wird. Das ist nicht nur mit höheren Kosten verbunden, sondern garantiert auch keine gleichmäßige Qualität. So lassen sich bei dem bekannten Kegel­ radpaar zwar die Probleme mit der Geräuschanregung von geschlif­ fenen Verzahnungen auf andere Weise als durch Läppen oder Honen lösen, jedoch unter Inkaufnahme von zusätzlichen Kosten und von nicht gewährleisteter Reproduzierbarkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, durch das sich ein hoher Ge­ räuschstandard bei Kegelrädern mit geschliffener Verzahnung auf reproduzierbare Weise und ohne aufwendigeres Schleifen erzielen läßt, und eine besondere Verwendung von solchen Kegelrädern anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Schritte gelöst.

Weiter werden im Rahmen der Lösung der gestellten Aufgabe erfin­ dungsgemäß eine besondere Verwendung gemäß Anspruch 3 oder 4 für das durch das erfindungsgemäße Verfahren fertigbearbeitete Ke­ gelrad geschaffen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich folgende bedeutsame Vorteile:

• - Der Schleifprozeß muß nicht so genau sein wie ohne Honen und kann somit schneller erfolgen.
• - Das Honen geschieht in der gleichen Maschine wie das Schlei­ fen, also in einer Aufspannung.
• - Der Aufwand für die Maschine ist nicht wesentlich größer als bei bekannten Maschinen.
• - Das Geräuschproblem wird deutlich reduziert, wenn nicht gar beseitigt.
• - Zusätzliches Aufspannen wie beim Läppen mit besonderem Reini­ gen oder beim Honen oder Schälwälzfräsen in einer besonderen Ma­ schine entfällt, da das Honen hier als ein Finishing-Vorgang in der Schleifmaschine geschieht.

So läßt sich erfindungsgemäß z. B. auf ein und derselben Maschine mit einem Bearbeitungskopf ein Ritzel eines Kegelradpaares schleifen und mit dem zweiten Bearbeitungskopf anschließend das­ selbe Ritzel in der gleichen Aufspannung honen. Üblicherweise dürfte es genügen, das Ritzel zu honen, da erfahrungsgemäß die Paarung zweier unterschiedlich bearbeiteter Oberflächen ohnehin die geräuschgünstigste Variante ist.

Die besonderen Vorteile der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Kegelräder zeigen sich insbesondere bei der Ver­ wendung eines Kegelrades mit durch Honen feinbearbeiteter Ver­ zahnung gepaart mit einem zweiten Kegelrad mit lediglich durch Schleifen oder Hartfräsen nach dem Härten fertigbearbeiteter Verzahnung. Dabei kann es sich insbesondere um ein aus einem Tellerrad und einem Ritzel bestehendes Kegelradpaar handeln.

Durch das Honen einer Verzahnung bei zumindest einem Rad eines Kegelradpaares wird das Laufverhalten günstig beeinflußt, da die Oberflächenstruktur eine andere Ausrichtung aufweist als beim Schleifen oder Hartfräsen.

Nach dem heutigen Stand der Technik ist es noch nicht wirt­ schaftlich, das Tellerrad zu honen, weil dafür die Drehzahl des als Honwerkzeug eingesetzten Honritzels zu hoch wäre und ein zu hoher Verschleiß am Ritzel die Folge wäre.

Es ist zwar an sich bereits eine Werkzeugmaschine zum Feinbear­ beiten der Zahnflanken von vorverzahnten Zahnrädern bekannt (DE 37 07 664 C1), die es ermöglicht, das Feinbearbeiten in ein und derselben Aufspannung wie bei dem vorangehenden Schleifen auszuführen, auf dieser bekannten Maschine lassen sich jedoch nur Stirnräder und keine Kegelräder fertigbearbeiten. Außerdem erfolgt die Feinbearbeitung der geschliffenen Verzahnung durch Polieren und nicht durch Honen. Die bekannte Maschine ist eine Wälzschleifmaschine zum Schraubwälzschleifen und anschließenden Schraubwälzpolieren, bei der die Flanken des Stirnrades sowohl beim Schleifen als auch beim Polieren mit einem schneckenförmi­ gen Werkzeug im Abwälzverfahren beaufschlagt werden. Dafür sind die Schleifschnecke und die Polierschnecke in Reihe auf ein und derselben Werkzeugspindel angeordnet, so daß die Feinstbearbei­ tung des Stirnrades, d. h. das Polieren, auf ein und derselben Maschine anschließend an das Schleifen erfolgen kann. Das Schraubwälzschleifen erfolgt im Vorhub mit hoher Drehzahl (z. B. 10 900 Umdrehungen pro Minute), und das Polieren erfolgt im Rückhub mit der gleichen Geschwindigkeit. Es werden also auf ein und derselben Maschine zwei gleiche kinematische Schraub­ wälzprozesse mit gleichen Maschineneinstellungen, gleichen Bewegungsabläufen, im Prinzip gleichen Werkzeugen (zum Schraubwälzen) und gleichen Abtragsmechanismen ausgeführt, die an den Zahnflanken Oberflächenstrukturen mit gleicher Ausrich­ tung ergeben.

Im Gegensatz dazu werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fertigbearbeiten der Verzahnung eines Kegelrades zwei völlig verschiedene Bearbeitungsverfahren miteinander kombiniert, die völlig verschiedene Maschineneinstellungen, völlig verschiedene Bewegungsabläufe, völlig verschiedene Werkzeuge und völlig ver­ schiedene Abtragsmechanismen erfordern. Zu diesem Zweck wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zweckmäßig eine Maschine mit Doppelbearbeitungskopf, also mit zwei getrennten Werkzeugspindeln eingesetzt, wie sie im Prinzip aus dem Firmenprospekt WNC 30 der Firma Oerlikon Geartec AG, Zürich, bekannt ist, der eine Spiralkegelrad-Wälzschleifmaschine beschreibt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt die Topfschleifscheibe auf der zweiten Werkzeugspindel der Maschine durch ein Honwerkzeug ersetzt, und der gesamte Antrieb dieser Spindel wird so umgerüstet, daß der mit wesentlich niedrigerer Drehzahl ausgeführte Honprozeß statt des Schleifprozesses mit dem zweiten Bearbeitungskopf ausgeführt werden kann. Erfindungsgemäß ist so zum ersten Mal die Möglich­ keit geschaffen worden, auf ein und derselben Maschine Kegelrä­ der sowohl schleifen als auch durch Honen feinbearbeiten zu können, also zwei kinematisch völlig unterschiedliche Bearbei­ tungsverfahren auf ein und derselben Maschine auszuführen, wo­ für im Stand der Technik stets zwei gesonderte Maschinen einge­ setzt werden mußten. Die Vorteile, die sich durch das Honen auf derselben Maschine wie das Schleifen, also in einer Aufspannung des fertigzubearbeitenden Kegelrades ergeben, sind oben bereits dargelegt worden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bildet den Gegen­ stand des Anspruchs 2.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein aus Tellerrad und Ritzel bestehendes Kegelradpaar eines Hypoidgetriebes,

Fig. 2 eine Maschine zum Fertigbearbeiten des Ritzels eines Kegelradpaares durch Schleifen von dessen Verzahnung mittels einer Topfschleifscheibe, und

Fig. 3 die Maschine nach Fig. 2 bei dem anschließenden Feinbearbeiten desselben Ritzels mit Hilfe eines Hontellerrades.

Fig. 1 zeigt ein Kegelradpaar, das durch das Verfahren und auf der Maschine, die im folgenden beschrieben sind, herstellbar ist. Es besteht aus einem spiralverzahnten Tellerrad 10 und ei­ nem spiralverzahnten Ritzel 12, das in Fig. 1 zwar getrennt von dem Tellerrad 10 gezeigt ist, im Einsatz jedoch mit diesem kämmt. Die Spiralverzahnungen der beiden Kegelräder 10, 12 sind jeweils lediglich durch einen Zahn 11 bzw. 13 angedeutet. Es wird davon ausgegangen, daß beide Verzahnungen durch Fräsen und Einsatzhärten hergestellt worden sind. Zum Beseitigen des Härte­ verzuges sowie von Plan- und Rundlauffehlern und bei Bedarf zur Herstellung einer gewünschten Ease-Off-Topologie und dgl. werden beide Verzahnungen nach dem Härten üblicherweise auf einer Spiralkegelrad-Wälzschleifmaschine geschliffen, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. In dem dargestellten Beispiel han­ delt es sich um den oben bereits erwähnten Typ WNC 30 von Wälzschleifmaschine. Auf einer solchen Maschine sind sämtliche Profilmodifikationen wie positive und negative Höhenbal­ ligkeiten, definierte Kopf- und Fußrücknahmen, Längsballigkei­ ten, Zahnfußrundungsradien und beliebige Eingriffswinkelkorrek­ turen problemlos herstellbar, wie es in dem oben erwähnten Firmenprospekt WNC 30 angegeben ist. Diese Maschine wird im fol­ genden näher betrachtet.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 2 und 3 hat die Maschine ein Maschinengehäuse 16, das horizontal bewegbar ist. Im Zusammen­ spiel eines werkstückseitigen Horizontalschlittens 18 und eines Vertikalschlittens 20 des Maschinengehäuses 16 wird während der Bearbeitung eine Wälzbewegung erzeugt, während der sich das Werkstück, im dargestellten Beispiel das Ritzel 12, um seine ei­ gene Achse dreht. Die Maschine hat zwei durch ihre Mittelachse angedeutete Spindeln 22, 24, die jeweils einen Bearbeitungskopf zum Aufspannen eines Bearbeitungswerkzeuges 26 bzw. 28 tragen. Das Bearbeitungswerkzeug 26 ist eine Topfschleifscheibe. Das Be­ arbeitungswerkzeug 28 ist ein tellerradartiges Honwerkzeug, also z. B. ein Tellerrad, das komplett aus Korund bestehen kann oder zumindest abrasive Flanken hat. In der Darstellung in Fig. 2 wird mit Hilfe der Topfschleifscheibe 26 gerade die einsatzge­ härtete Verzahnung des Ritzels 12 geschliffen. Die geschliffene Verzahnung wird anschließend feinbearbeitet. Dazu wird das Rit­ zel mit Hilfe des Horizontalschlittens 18 in die in Fig. 3 dar­ gestellte Stellung verfahren und mit dem Honwerkzeug 28 in Eingriff gebracht, so daß in der gleichen Aufspannung des Ritzels 12 wie beim Schleifen dessen Verzahnung nunmehr zusätzlich gehont wird.

Das Tellerrad 10 wird auf übliche Weise nur geschliffen. Vor­ zugsweise wird ein solches Tellerrad mit lediglich geschliffener Verzahnung mit dem Ritzel 12 gepaart, dessen Verzahnung nach dem Schleifen zusätzlich durch Honen feinbearbeitet worden ist. Die Paarung der unterschiedlichen Oberflächenstrukturen der beiden Verzahnungen ergibt die gewünschte Geräuschqualität.

Selbstverständlich könnte auch das Tellerrad geschliffen und an­ schließend gehont werden und dann mit einem Ritzel, das ledig­ lich geschliffen worden ist, gepaart werden. In diesem Fall würde es sich bei dem Honwerkzeug 28 um ein Honritzel handeln, das eine sehr hohe Drehzahl aushalten müßte, damit die gesamte Fertigbearbeitung in ausreichend kurzer Zeit durchge­ führt werden könnte. Das wiederum wäre mit hohem Verschleiß der Hartstoffbeschichtung des Honritzels verbunden. Dafür gibt es zur Zeit keine ohne weiteres verfügbaren und geeigneten Werk­ stoffe, weshalb die Paarung aus geschliffenem Tellerrad und ge­ hontem Ritzel 12 bevorzugt wird. Es könnte aber, um das Teller­ rad zu honen, ein Gegenrad mit wesentlich größeren Abmessungen als das Ritzel entwickelt werden, beispielsweise durch Vergröße­ rung des Achsversatzes und Änderung des Achswinkels. Damit würde ein Gegenrad erzeugt, das wesentlich mehr Zähne als das Ritzel hätte. Auch beim Honen der Ritzel stellt das Honwerkzeug mit den geo­ metrischen Daten des Tellerrades nur eine Möglichkeit aus der Vielzahl der möglichen Honwerkzeuge dar.

Die Geräuschqualität eines Kegelradpaares, bei dem die Verzahnungen beider Kegelräder ge­ schliffen und geläppt sind, kann auf einfachere Weise erzielt worden, wenn bei dem Schleif­ prozeß, der nicht so genau wie ohne Honen zu sein braucht, le­ diglich das Ritzel 12 in der gleichen Aufspannung in derselben Maschine noch zusätzlich gehont wird. Überdies werden auf diese Weise die mit dem Läppen verbundenen Nachteile vermieden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Fertigbearbeiten der gehärteten Verzahnung eines Kegelrades durch Schleifen nach dem Härten und anschließendes Feinbearbeiten der geschliffenen Verzahnung, wobei das Schleifen der Verzahnung auf einer Kegelradschleif­ maschine mittels Topfschleifscheibe ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Feinbearbeiten der Verzahnung durch Honen auf derselben Maschine mittels eines kegelradähnlichen Honwerkzeuges in ein und derselben Aufspannung des Kegelrades wie bei dem vorangehenden Schleifen ausgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Honen eines Ritzels ein tellerradähnliches Honwerkzeug verwen­ det wird.

3. Verwendung eines ersten Kegelrades (12) mit gemäß dem Ver­ fahren nach Anspruch 1 oder 2 feinbearbeiteter Verzahnung ge­ paart mit einem zweiten Kegelrad (10) mit gemäß demselben Ver­ fahren feinbearbeiteter Verzahnung.

4. Verwendung eines ersten Kegelrades (12) mit gemäß dem Ver­ fahren nach Anspruch 1 oder 2 feinbearbeiteter Verzahnung ge­ paart mit einem zweiten Kegelrad (10) mit lediglich durch Schleifen nach dem Härten fertig bearbeiteter Verzahnung.