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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mit einer Welle versehenes hochpräzises verzahntes
Bauteil oder Zahnrad sowie ein Formverfahren dafür. Derartige Bauteile werden
häufig
in Kraftfahrzeug-Automatikgetrieben verwendet.
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Bei
herkömmlichen
Formverfahren für
ein Zahnrad mit einer Welle ist es schwierig, die Wellen- und Flanschteile
des Zahnrads als ein Stück
zu formen bzw. zu bilden. Bei einem bekannten Verfahren werden ein
Wellenteil und ein Flanschteil getrennt geformt und daraufhin zusammengeschweißt. Bei dem
Verfahren müssen
die geformten Teile vor dem Schweißen entkohlt und vorbearbeitet
werden. Das Verfahren erfordert außerdem eine besondere Einspannvorrichtung,
um die Teile beim Schweißen
festzuhalten. Da bei dem Verfahren Wärme benutzt wird, entstehen
durch Wärmeverformung
Probleme, die zu Präzisionsverlust
und hohen Produktionskosten führen.
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DE 19723073 offenbart das
Formen eines verzahnten Artikels aus einer einzigen Blechscheibe. Bei
dem Verfahren kommt ein komplexer mehrstufiger Vorgang zur Anwendung,
wobei viele Umformungs- und Bearbeitungsschritte mit anschließender Wärmebehandlung,
mehr Umformungs- und Pressvorgängen
und nachfolgendem Falten erforderlich sind, ehe eine Nut oder Verzahnung
geformt wird.
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Ein
alternatives Verfahren zur Bildung dieser Art von Zahnrad mit Welle
wird unter Bezugnahme auf 6(A) und 6(B) beschrieben. Bei diesem dritten Verfahren
werden der Zahnradteil und die Welle aus einem einstückigen Ausgangsgegenstand
geformt. Bei dem Verfahren wird ein Materialrohling oder eine Puppe 20 zu
einem Zwischenprodukt 21 verarbeitet. Die Rohmaterialpuppe 20 weist
ein scheibenförmiges
Flanschteil 20a und ein zylindrisches Wellenteil 20b auf.
Ein röhrenförmiges Teil 21a und
ein Bodenteil 21b werden durch Rückwärtsfließpressen des Flanschteils 20a geformt.
Nach Beendigung des Rückwärtsfließpressvorgangs
wird das Zwi schenprodukt 21 geformt, das jedoch noch mehr komplizierte
Bearbeitung erfordert, ehe es seine endgültige Form annimmt.
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Dieses
dritte Verfahren erfordert einen sehr hohen Druck, um das Rückwärtsfließpressen
des Flanschteils 20 zu ermöglichen. Durch den hohen Extrusionsdruck
hat das Extrusionswerkzeug eine kurze Lebensdauer, und die Herstellungskosten
des Werkzeugs und anderer Extrusionsmittel sind hoch. Außerdem erfordern
die hohen Extrusionsdruckwerte, dass das Zwischenprodukt 21 einen
unerwünscht dicken
Boden oder Scheibenteil 21b und röhrenförmigen Teil 21a aufweisen
muss. Das Rückwärtsfließpressverfahren
zeigt schlechte Nettoform-Ergebnisse, und es kommt zu hohen Produktionsverlusten, weil
die extrudierten Produkte oft nicht den geforderten Maßen entsprechen.
Außerdem
ist es schwierig, dieses Formverfahren auf größere Teile anzuwenden.
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Es
besteht Bedarf an einem hochpräzisen Formverfahren.
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Weiterhin
besteht Bedarf an einem Verfahren zum Formen eines hochpräzisen verzahnten
Teils mit Welle.
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Weiterhin
besteht Bedarf an einem hochpräzisen
verzahnten Teil mit einer Welle, von hoher Stabilität und Festigkeit.
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Weiterhin
besteht Bedarf an einem Verfahren zum Formen eines aus einem Bodenstück gefertigten
verzahnten Teils mit Hohlwelle und Flansch.
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Weiterhin
besteht Bedarf an einem Verfahren zum Formen eines rohrförmigen Teils
oder eines aus einem röhren-
oder scheibenförmigen
Teil gebildeten Flansches.
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Weiterhin
besteht Bedarf an einem Verfahren zum Formen einer Verzahnung an
einem röhrenförmigen Teil
oder an einer Welle.
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Es
besteht außerdem
Bedarf daran, eine Kombination aus plastischen Arbeitsvorgängen in
einem Verfahren zur Herstellung eines Fertigprodukts mit präzisen Dimensionen
und niedrigen Verlustraten zu schaffen.
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Es
versteht sich, dass die Begriffe "plastisch" und "plastische Arbeit" auf Material anwendbar sind, das in
einem Arbeitsverfahren geschmeidig oder verformbar ist und in dem
Verfahren ohne Carbonisation oder anderes spezielles Material bearbeitet
werden kann.
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In
Kürze betrifft
ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
verzahnter Teile und einer Welle gemäß Anspruch 1. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird in dem Verfahren ein Rohling geformt. Zu dem
Rohling gehört
ein Wellenteil und ein Flanschteil. Der Flanschteil hat einen dickeren
Außendurchmesser (radial äußeren Teil)
und einen dünneren
Innendurchmesser (radial inneren Teil). Der Außendurchmesser wird durch Ziehen
in ein rohrförmiges
Teil geformt. Eine Vielzahl an Zähnen
und Restteilen werden durch Extrudieren des röhrenförmigen Teils geformt. Mindestens
eine Keilnut wird durch Extrudieren des Wellenteils geformt. Durch
die Arbeitsvorgänge
Formen, Ziehen und Extrudieren wird ein Rohling zu einem einstückigen Teil
mit Verzahnung und einer Welle verformt, wodurch sich die seine
Präzision,
Steifheit und Dauerhaftigkeit erhöht und die Kosten des Formverfahrens
geringer werden.
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Das
Verfahren kann außerdem
folgende Schritte beinhalten: Verformen den Flanschteils in ein Teil
von großem
Durchmesser und ein Teil von kleinem Durchmesser, wobei das Teil
von großem Durchmesser
einen ersten Bereich darstellt, größer als das Teil von kleinem
Durchmesser und konzentrisch zu ihm ist, wobei das Teil von großem Durchmesser
dicker als das Teil von kleinem Durchmesser ist; und Verformen einer
Mehrzahl von Restteilen durch Extrudieren des besagten röhrenförmigen Teils,
wobei die Restteile zwischen dem röhrenförmigen Teil und dem Wellenteil
angeordnet sind.
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Das
Verfahren kann außerdem
folgende Schritte beinhalten: Ziehen eines äußeren ringförmigen Abschnitts in den besagten
röhrenförmigen Teil, im
Wesentlichen parallel zu dem besagten Wellenteil, wobei der besagte
Flanschteil eine im Wesentlichen senkrecht zur Achse des besagten
Wellenteils stehende Scheibe darstellt, die besagte Scheibe einen äußeren ringförmigen Abschnitt
aufweist, der besagte ringförmige
Abschnitt dicker als ein Restteil der besagten Scheibe ist, und
der verzahnte Abschnitt auf einer inneren und äußeren Oberfläche des
röhrenförmigen Teils
geformt wird, wobei die größere Dicke des
röhrenförmigen Teils
des verzahnten Abschnitts die Verformung der verzahnten Abschnitte
ermöglicht,
während
erhebliche Festigkeit erhalten bleibt.
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Das
Ziehen des röhrenförmigen Teils
kann so durchgeführt
werden, dass das man das besagte Flanschteil in das röhrenförmige Teil
und ein Bodenteil zieht.
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Bei
dem Verfahren, einen verzahnten Teil mit einer Welle zu formen,
kann das Formen eines Flanschteils und eines Wellenteils durch Kaltformen bewirkt
werden.
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Bei
dem Verfahren, einen verzahnten Teil mit einer Welle zu formen,
beinhaltet das Flanschteil vorzugsweise ein Teil von großem Durchmesser
und ein Teil von kleinem Durchmesser, wobei das Teil mit großem Durchmesser
eine größere Dicke
aufweist als das Teil von kleinem Durchmesser.
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Bei
dem Verfahren, einen verzahnten Teil mit einer Welle zu formen,
können
die besagten verzahnten Abschnitte starr sein.
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Nachfolgend
werden verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung nur als Beispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben, wobei
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1(A) zeigt einen Querschnitt durch einen Materialrohling
bzw. eine Puppe;
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1(B) zeigt einen Querschnitt durch ein aus
dem in 1(A) dargestellten Rohling
gefertigtes Zwischenprodukt;
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1(C) zeigt einen Querschnitt durch ein aus
dem in 1(B) dargestellten Zwischenprodukt gefertigtes
geformtes Produkt;
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2 zeigt
eine Endansicht des in 1(C) dargestellten
geformten Produkts, in der Zeichnung von links nach rechts gesehen;
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3 zeigt
einen Querschnitt durch ein aus dem in 1(C) dargestellten
geformten Produkt gefertigtes Endprodukt;
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4(A) zeigt einen Querschnitt eines Materialrohlings
bzw. einer Puppe;
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4(B) zeigt einen Querschnitt durch ein aus
dem in 4(A) dargestellten Rohling
gefertigtes Zwischenprodukt;
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4(C) zeigt einen Querschnitt durch ein aus
dem in 4(A) dargestellten Zwischenprodukt gefertigtes
geformtes Produkt;
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5 zeigt
eine Endansicht des in 4(C) dargestellten
geformten Produkts, in der Zeichnung von links nach rechts gesehen;
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6(A) zeigt in schematischer Form den Ablauf
eines Verfahrens nach dem Stand der Technik, und
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6(B) zeigt in schematischer Form den Ablauf
eines Verfahrens nach dem Stand der Technik.
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Gemäß 1(A) und 1(B) enthält eine
verformbare Rohmaterialpuppe bzw. ein Rohling (1) ein scheibenförmiges Flanschteil
(1a) und ein röhrenförmiges Wellenteil
(1b). Ein radial äußerer Teil
von Flansch 1a hat eine axiale Dicke t2 und ein radial
innerer Teil hat eine axiale Dicke t1. Die röhrenförmige Welle 1b hat
eine radiale Dicke t3. Die Dicke t2 des radial äußeren Teils von Flansch 1a ist
größer als
die Dicke t1 des radial inneren Teils. Es versteht sich, dass der
Materialrohling 1 den Vorgänger des in 1(B) dargestellten
später
geformten Zwischenprodukts 2 darstellt, während Größe, Gestalt
und Dicke des Flanschteils 1a und des Wellenteils 1b so
gewählt
werden, dass es einfach ist, später
das Zwischenprodukt 2 formen.
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Es
versteht sich, dass die Rohmaterialpuppe bzw. der Rohling mit vielen
in der Praxis üblichen
Verfahren geformt werden kann, dass aber das Kaltformen eine übliche und
wirtschaftliche Methode darstellt, da sich beim Warmformen das Extrusionswerkzeug
abnutzt und eine geringere Präzision
erzielt wird.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung wird das Zwischenprodukt 2 aus der
Rohmaterialpuppe bzw. dem Rohling durch Ziehen des Flanschteils 1a geformt.
Das Zwischenprodukt 2 enthält auch ein röhrenförmiges Wellenteil 2c und
einen Flansch. Der Flansch weist ein radial äußeres röhrenförmiges Teil 2a und
ein Scheibenteil 2b auf das radial zwischen der Welle 2c und
dem röhrenförmigen Teil 2a verläuft. Beim
Fertigen des Rohlings 1 ist das radial äußere Teil des Flansches 1a dicker
geformt als das radial innere Teil. Die Rohmaterialpuppe bzw. der
Rohling 1 ist so ausgelegt, dass nicht nur ein dünneres Teil 2b besteht,
sondern dass weiterhin auch das Material des Zwischenprodukts 2 leicht
fließt
und dass die Formbelastung niedriger ist, also dass der Flansch 1a leicht
so verformt werden kann, dass er die Scheibe 2b und das
röhrenförmige Teil 2a des Zwischenprodukts
bildet. Die Bildung der Rohmaterialpuppe bzw. des Rohlings 1 mit
dem spezifischen und geformten Flanschteil 1a, lässt zu,
dass die gewünschte
Dicke des röhrenförmigen Teils 2a leicht mit
niedrigeren Bearbeitungslasten erzielt werden kann.
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Es
versteht sich, dass sich die Dicke t1 des radial inneren Teils und
die Dicke t2 des radial äußeren Teils
nach der gewünschten
Gestalt, Auslegung und/oder anderen Merkmalen des Endprodukts richtet,
sowie nach den auf das Extrusionswerkzeug einwirkenden Lasten, nach Überlegungen über zusätzliche
Materialien zum Formen von Zwischenprodukten mit verschiedenen Außenmaßen oder
nach anderen Faktoren. Da die Dicke t1, t2 und t3 wählbar ist,
kann mit diesem Verfahren je nach den Anforderungen für Zwischen-
und Endprodukte eine große
Vielzahl an Endprodukten hergestellt werden.
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Ebenfalls
gemäß 1(C), 2 und 3 wird
das Zwischenprodukt 2 auf die gewünschte Weise so geformt, dass
es ein geformtes Produkt 3 bildet. Das geformte Produkt 3 beinhaltet
ein axiales Wellenteil 3c, das von einem radialen Flansch
verläuft,
der ein Scheibenteil 3b und ein röhrenförmiges Teil 3a aufweist.
Die aus einem Teil des Materials des röhrenförmigen Teils 2a geformte
Verzahnung 3d wird entlang des äußeren Abschnitts des röhrenförmigen Teils 3a und
des Scheibenteils 3b geformt. Gestalt, Teilung und Frequenz
der Verzahnung 3d werden gemäß den Anforderungen einzelner
Hersteller oder Kunden geformt.
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Ein
Extrusions-Restteil 3f des Zwischenprodukts wird im Bereich
zwischen der Scheibe 3b und dem röhrenförmigen Teil 3a geformt.
Das Restteil verbessert die Starrheit und Festigkeit der Verzahnung 3d,
indem es die Steifheit des geformten Produkts im Bereich der Verzahnung 3d erhöht. Ein
dem späteren
Zusammenbau dienendes Keilnut 3e wird auf der radial äußeren Welle 3a beim
Formen des Wellenteils 2c geformt.
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Nach
dem Formen kann das in 1(C) dargestellte
geformte Produkt 3 durch Schneiden, Einstanzen von Öllöchern oder
andere Fertigungsschritte weiter bearbeitet werden, um ein Fertigteil
(wie in 3 gezeigt) herzustellen. Das
in 3 dargestellte Fertigteil 4 wird mit
Buchse 6 und/oder anderen (nicht dargestellten) anwendungsspezifischen
Artikeln so zusammengebaut, dass das geformte Produkt 3 einen
Teil eines zusammengebauten Produkts 4 mit Verzahnung 5 bildet.
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Ebenfalls
gemäß 4(A), 4(B), 4(C) und 5 wird eine
zweite Ausführung
eines Formverfahrens gezeigt, bei dem eine Verzahnung mit einer Welle
hergestellt wird. Eine Rohmaterialpuppe bzw. ein Rohling 11 wird
aus einem scheibenförmigen Flanschteil 11a und
einem röhrenförmigen Wellenteil 11b gefertigt,
das aus dem Flanschteil 11a herausragt. Das Flanschteil 11a beinhaltet
ein radial äußeres Teil
mit einer Dicke t12 in axialer Richtung der Scheibe und einem radial
inneren Teil mit einer Dicke t11 in axialer Richtung. Die Dicke
t11 ist größer als
die Dicke t12. Das Wellenteil 11b hat eine Dicke t13 in
radialer Richtung der Welle.
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Ein
Zwischenprodukt 12 (4B) wird
durch Ziehen des Flanschteils 11a aus der Puppe bzw. dem Rohling 11 gebildet.
Das Zwischenprodukt 12 beinhaltet ein radial inneres röhrenförmiges Wellenteil 12c,
das aus dem Flanschteil 12b herausragt. Der Flansch 11a der
Rohmaterialpuppe 11 bildet ein radial äußeres röhrenförmiges Teil 12a parallel
zum Wellenteil 12c und ein Scheibenteil 12b, das
im Wesentlichen senkrecht zum Wellenteil 12a und 12c verläuft.
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Wie
bereits beschrieben, ist das radial äußere Teil des Flanschteils 11a dicker
als das radial innere Teil des Flanschteils 11a. Es versteht
sich, dass bei der Wahl der Dicke der radial inneren und äußeren Teile
solche Überlegungen
ausschlaggebend sind wie die Anforderungen, ein dünnes Scheibenteil 12 für das Endprodukt
zu schaffen, die auf das Extrusionswerkzeug einwirkenden Lasten,
die Anforderungen für
zusätzliches
Material zum späteren
Bearbeiten, und sonstige Faktoren. Die Dicke dieser Teile wird außerdem so
gewählt,
dass das Material beim Formen mit kleineren Belastungen gut fließbar ist
und trotzdem die gewünschte
Dicke des röhrenförmigen Teils 12a erzielt
wird. Da je nach Anforderungen an die Zwischen- und Endprodukte
die Dicken t11, t12 und t13 gewählt
werden können,
lässt sich
mit diesem Verfahren eine große
Vielzahl an Endprodukten herstellen, das heißt, dass die auf das Extrusionswerkzeug
einwirkende Belastung geringer ist als bei bekannten Verfahren,
und dass verschiedene Zwischenprodukte mit verschiedenen Außendurchmessern
für das
röhrenförmige Teil 12a leicht
aus demselben Materialrohling bzw. derselben Puppe gefertigt werden
können.
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Das
in 4(C) dargestellte geformte Produkt 13 wird
gebildet, indem auf dem radial äußeren röhrenförmigen Teil 12a eine
Verzahnung und auf dem Wellenteil 12c eine Keilnut geformt
werden. Das geformte Produkt 13 beinhaltet ein Wellenteil 13c und
einen Flansch, der aus einem Scheibenteil 13b und einem
röhrenförmigen Teil 13a besteht.
Die Verzahnung 13d wird im inneren Umfangbereich des röhrenförmigen Teils 13a gegenüber dem
Keilnut 13e auf der radial äußeren Oberfläche des
Wellenteils 13c geformt. Die Verzahnung 13d wird
durch Extrusion des röhrenförmigen Teils 12a geformt.
Das Extrusions-Restteil 13f verbessert die Starrheit und
Festigkeit der Verzahnung 13d Das geformte Produkt kann durch
Schneiden oder das Einstanzen von Öllöchern weiter bearbeitet werden,
wodurch das geformte Produkt 13 zum Endprodukt oder Fertigteil
wird.
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Bei
einer anderen Ausführung
kann der Hersteller die Rohmaterialpuppe bzw. den Rohling 11 sehr
präzise
durch Kaltformen bilden. Wenn der Rohling 11 durch Warmformen
gebildet wird, würde
sich das Extrusionswerkzeug abnutzen, die Arbeit würde weniger
präzise
und die Lebensdauer geringer.
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Es
versteht sich, dass bei allen Ausführungen eine hochpräzise Verzahnung – wie eine
Innen- oder Außenverzahnung – mit Welle
mit hoher Präzision
ohne Schweißen
aus einem einstückigen
Körper geformt
werden kann.
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Es
versteht sich, dass bei allen Ausführungen des Verfahrens zum
Formen einer Verzahnung mit einer Welle die entstehende Verzahnung
mit einer Welle eine zusätzliche
dritte und vierte Ausführung darstellt,
wobei die Verzahnung entweder von der Welle nach außen weist
ist oder einen Zylinder um die Welle bildet.
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Es
versteht sich ferner, dass die auf das Extrusionswerkzeug einwirkende
Belastung auf ein Minimum beschränkt
wird, wenn man die entsprechende Dicke für die Flanschteile des Rohlings
wählt und den
Flansch des Zwischenprodukts durch Ziehen formt.
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Es
versteht sich ferner, dass die auf das Extrusionswerkzeug einwirkende
Belastung gering ist und sich daher die Lebensdauer des Werkzeugs
entsprechend verlängert.
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Es
versteht sich ferner, dass ein Hersteller bei Anwendung der hierin
beschriebenen Ausführungen
bessere Nettoformergebnisse sowie höhere Festigkeit und Dauerhaftigkeit
erzielen und die Produktionskosten auf ein Minimum beschränken kann.
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Es
versteht sich ferner, dass sich die Festigkeit und Starrheit des
Zahnrads erhöhen,
wenn die Verzahnung und ein Restteil erfindungsgemäß geformt
werden.
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Nach
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen versteht es sich außerdem,
dass die Erfindung nicht auf jene spezifischen Anwendungsformen
beschränkt
ist und dass der Durchschnittsfachmann verschiedene Änderungen
und Modifikationen vornehmen kann, ohne von dem in den nachfolgenden
Ansprüchen
definierten Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen.