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Dokumentenidentifikation DE102004058445A1 14.06.2006
Titel Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE;
DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Bayer, Erwin, Dr., 85221 Dachau, DE;
Bussmann, Martin, 85247 Schwabhausen, DE;
Kränzler, Thomas, 88682 Salem, DE;
Platz, Albin, 86510 Ried, DE;
Steinwandel, Jürgen, Dr., 88690 Uhldingen-Mühlhofen, DE;
Lahres, Michael, Dr., 89231 Neu-Ulm, DE
DE-Anmeldedatum 03.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004058445
Offenlegungstag 14.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.06.2006
IPC-Hauptklasse B23H 9/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C25F 3/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern, insbesondere von Getriebezahnrädern. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Grundkörpers für ein Zahnrad, b) elektrochemisches Bearbeiten des Grundkörpers durch einen Precise Elekctro Chemical Machining-Prozess (PECM-Prozess), wobei zum Herstellen der Zähne des Zahnrads gleichzeitig mehrere zwischen den Zähnen verlaufende Ausnehmungen elektrochemisch abgesenkt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern, insbesondere von Getriebezahnrädern.

In Kraftfahrzeuggetrieben sowie in Getrieben für Flugtriebwerke werden zunehmend höhere Leistungsdichten bei kleineren Abmessungen sowie geringeren Gesamtgewichten der Getriebe gefordert. Hierdurch wächst die Belastung der in den Getrieben eingesetzten Zahnräder. Um die Zahnräder höheren Belastungen aussetzen zu können, sind neue Konstruktionsprinzipien für die Zahnräder erforderlich. Derartige Hochleistungszahnräder, die hohen Belastungen ausgesetzt werden können, verfügen zum Beispiel über neue Evolventenformen oder über in Umfangsrichtung verlaufende Versteifungsflanken. Derartige Hochleistungszahnräder lassen sich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Fertigungsverfahren wie Fräsen, Räumen, Schleifen, Honen sowie Läppen jedoch nicht in der erforderlichen Genauigkeit herstellen. Insbesondere bereitet die Herstellung von Zahnrädern, die in Umfangsrichtung verlaufende Versteifungsflanken aufweisen, mit den aus dem Stand der Technik bekannten Fertigungsverfahren erhebliche Schwierigkeiten.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern, insbesondere von Getriebezahnrädern, zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern, insbesondere von Getriebezahnrädern, im Sinne des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Grundkörpers für ein Zahnrad, b) elektrochemisches Bearbeiten des Grundkörpers durch einen Precise Electro Chemical Machining-Prozess (PECM-Prozess), wobei zum Herstellen der Zähne des Zahnrads gleichzeitig mehrere zwischen den Zähnen verlaufende Ausnehmungen elektrochemisch abgesenkt werden.

Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen Zahnräder mit Hilfe eines Precise Electro Chemical Machining-Prozesses herzustellen. Hierdurch wird es möglich, Hochleistungszahnräder mit in Umfangsrichtung verlaufenden Versteifungsflanken und/oder neuen Evolventenformen mit der erforderlichen Genauigkeit herzustellen. Hierdurch ist es möglich, die von den Zähnen eines Zahnrads aufnehmbaren Kräfte zu erhöhen und dieses Potential zur Verringerung der Zahnraddimensionen einzusetzen.

Vorzugsweise wird ein Grundkörper für das Zahnrad bereitgestellt, der bereits vorgeformt bzw. vorprofiliert ist.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden gleichzeitig mehrere Arbeitselektroden jeweils durch eine radiale Relativbewegung zwischen dem Grundkörper und der jeweiligen Arbeitselektrode in den Grundkörper hineinbewegt.

Nach einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Arbeitselektrode, welche eine Querschnittskontur des herzustellenden Zahnrads aufweist, durch eine axiale Relativbewegung zwischen dem Grundkörper und der Arbeitselektrode in den Grundkörper hineinbewegt.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine Prinzipskizze eines ersten mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Getriebezahnrads;

2 eine Prinzipskizze eines zweiten mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Getriebezahnrads;

3 eine Prinzipskizze eines dritten mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Getriebezahnrads; und

4 eine Prinzipskizze einer Elektrodenanordnung zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 4 in größerem Detail beschrieben.

1 bis 3 zeigen allesamt Hochleistungszahnräder für Getriebe, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden können. So zeigt 1 ein Zahnrad 10 mit mehreren, in Umfangsrichtung des Zahnrads 10 voneinander beabstandeten Zähnen 11, wobei zwischen zwei benachbarten Zähnen 11 jeweils eine Ausnehmung 12 angeordnet ist. Zur Erhöhung der von den Zähnen 11 aufnehmbaren Kräfte verfügt das Zahnrad 10 über eine umlaufende, in Umfangsrichtung geschlossene Versteifungsflanke 13, die im Ausführungsbeispiel der 1 in etwa in der axialen Mitte des Zahnrads 10 positioniert ist.

2 zeigt ein weiteres Zahnrad 14 mit mehreren in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Zähnen 15, wobei zwischen benachbarten Zähnen 15 wiederum jeweils eine Ausnehmung 16 angeordnet ist. Das Zahnrad 14 der 2 verfügt an beiden axialen Enden über jeweils eine, in Umfangsrichtung umlaufende, Versteifungsflanke 17. Im Ausführungsbeispiel der 2 sind die Ausnehmungen 16 zwischen zwei benachbarten Zähnen 15 demnach nur in radialer Richtung offen.

3 zeigt ein Zahnrad 18 aus zwei sich räumlich unmittelbar aneinander anschließenden Teilzahnrädern 19 und 20. Jedes der Teilzahnräder 19 und 20 verfügt wiederum über in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Zähne 21 bzw. 22, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Zähnen wiederum eine Ausnehmung 23 bzw. 24 angeordnet ist. Die beiden Teilzahnräder 19 und 20 verfügen über unterschiedliche Durchmesser, wobei die beiden Teilzahnräder 19 und 20 unmittelbar aneinander angrenzen. Im Ausführungsbeispiel der 3 verfügt das Teilzahnrad 19 mit dem geringeren Durchmesser an einem axialen Ende über eine in Umfangsrichtung geschlossene Versteifungsflanke 25, wobei das Teilzahnrad 19 mit dem der Versteifungsflanke 25 gegenüberliegenden Ende an das Teilzahnrad 20 angrenzt. Demnach sind die Ausnehmungen 23 des Teilzahnrads 19 wiederum lediglich in radialer Richtung offen ausgebildet.

Die Zahnräder 10, 14 sowie 18 gemäß 1 bis 3, können allesamt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. Hierzu wird ein Grundkörper für das herzustellende Zahnrad 10, 14 bzw. 18 bereitgestellt und in einem Elektrolyt positioniert. Der bereitgestellte Grundkörper ist vorzugsweise vorgeformt bzw. vorprofiliert, weist demnach bereits vorprofilierte Zähne sowie Versteifungsflanken auf. Zur Feinbearbeitung wird der Grundkörper mit einem Precise Electro Chemical Machining (PECM)-Prozess bearbeitet, wobei zum Herstellen der Zähne des Zahnrads gleichzeitig mehrere zwischen den Zähnen verlaufende Ausnehmungen elektrochemisch abgesenkt werden. Hierzu werden mehrere Arbeitselektroden gleichzeitig in radialer Richtung in den Grundkörper für das herzustellende Zahnrad hineinbewegt. Über den Umfang des herzustellenden Zahnrads werden vorzugsweise alle Ausnehmungen zwischen den Zähnen des Zahnrads gleichzeitig hergestellt.

Bei dem vorgeformten bzw. vorprofilierten Grundkörper für das herzustellende Zahnrad handelt es sich vorzugsweise um einen durch Feingießen oder durch Schmieden oder durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellten Grundkörper.

4 zeigt schematisiert eine Anordnung aus mehreren Arbeitselektroden 26, wobei jede der Arbeitselektroden 26 dem elektrochemischen Absenken einer zwischen zwei benachbarten Zähnen positionierten Ausnehmung dient. Jede der Arbeitselektroden 26 wird getrennt für sich beim Absenken der Ausnehmungen in radialer Richtung in den Grundkörper des Zahnrads hineinbewegt. Diese Bewegung in radialer Richtung ist für vier der Arbeitselektroden in 4 durch Pfeile 27 dargestellt. Die in Umfangsrichtung nebeneinander positionierten Zähne bzw. Ausnehmungen werden demnach alle gleichzeitig hergestellt.

Alternativ ist es möglich eine Arbeitselektrode, welche eine Querschnittskontur des herzustellenden Zahnrads aufweist, durch eine axiale Relativbewegung zwischen dem Grundkörper und der Arbeitselektrode in den Grundkörper hineinbewegt. Auch hierdurch können über den Umfang des herzustellenden Zahnrads alle Ausnehmungen zwischen den Zähnen des Zahnrads gleichzeitig hergestellt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Hochleistungszahnräder für Getriebe mit in Umfangsrichtung umlaufenden Versteifungsflanken bzw. Stützflanken sowie neuen Evolventenformen hergestellt werden. Hierdurch können die Zähne der Zahnräder höhere Belastungen aufnehmen, wobei dieses Potential zur Verringerung der Zahnraddimensionen verwendet werden kann. Durch die Verwendung vorprofilierter bzw. vorgeformter Grundkörper, die zum Beispiel durch Feingießen hergestellt werden, lässt sich durch die nachgeschaltete Feinbearbeitung mit Hilfe eines Precise Electro Chemical Machining-Prozesses das gesamte Zahnrad in einem Arbeitsgang innerhalb kurzer Zeit herstellen. Das Absenken der Ausnehmungen zwischen benachbarten Zähnen der Zahnräder erfolgt vorzugsweise synchron, indem für jede Ausnehmung eine Arbeitselektrode in radialer Richtung in den Grundkörper hineinbewegt wird. Weiterhin ist die Herstellung gekoppelter Zahnräder mit unterschiedlichen Durchmessern und unterschiedlichen Verzahnungen möglich, ohne dass die Teilzahnräder zusammengefügt werden müssen. So ist die Herstellung von Zahnrädern mit Teilzahnrädern unterschiedlicher Durchmesser in einem Fertigungsschritt möglich.

Es sei darauf hingewiesen, dass es sich beim Precise Electro Chemical Machining (PECM) um ein elektrochemisches Abtragverfahren handelt, mit welchem eine wesentlich bessere bzw. höhere Präzision erzielt werden kann als bei einem klassischen ECM-Prozess. Beim PECM handelt es sich um ein elektrochemisches Abtragverfahren mit vibrierenden Arbeitselektroden, wobei zwischen die jeweilige Arbeitselektrode und eine Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils eine vorzugsweise pulsierende Gleichspannung angelegt wird. Hierdurch kann an der Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils ein Materialabtrag realisiert werden. Beim PECM werden geringe Spaltmaße zwischen den Arbeitselektroden und der Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils eingehalten, wobei die Spaltmaße gegenüber dem klassischen ECM-Prozess bis auf ca. 10 &mgr;m reduziert werden können. Da bei derart geringen Spalten die notwendige Spülung des Spalts mit frischen Elektrolyt nicht mehr realisiert werden kann, werden das Abtragen sowie Spülen hintereinander durchgeführt. Das Abtragen findet bei engstmöglichem Spalt statt, das Spülen bei größtmöglichem Spalt. Dies resultiert letztendlich in einer vibrierenden bzw. oszillierenden Elektrodenbewegung. Spalte zwischen der oder jeder Arbeitselektrode und dem Grundkörper werden so mit Elektrolyt versogt.

10Zahnrad 11Zahn 12Ausnehmung 13Versteifungsflanke 14Zahnrad 15Zahn 16Ausnehmung 17Versteifungsflanke 18Zahnrad 19Teilzahnrad 20Teilzahnrad 21Zahn 22Zahn 23Ausnehmung 24Ausnehmung 25Versteifungsflanke 26Arbeitselektrode 27Pfeil

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern, insbesondere von Getriebezahnrädern, mit folgenden Schritten:

    a) Bereitstellen eines Grundkörpers für ein Zahnrad,

    b) elektrochemisches Bearbeiten des Grundkörpers durch einen Precise Electro Chemical Machining-Prozess (PECM-Prozess), wobei zum Herstellen der Zähne des Zahnrads gleichzeitig mehrere zwischen den Zähnen verlaufende Ausnehmungen elektrochemisch abgesenkt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) ein Grundkörper für das Zahnrad bereitgestellt wird, der vorgeformt bzw. vorprofiliert ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeformte bzw. vorprofilierte Grundkörper durch Feingießen oder durch Schmieden oder durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) gleichzeitig mehrere Arbeitselektroden jeweils durch eine radiale Relativbewegung zwischen dem Grundkörper und der jeweiligen Arbeitselektrode in den Grundkörper hineinbewegt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Arbeitselektroden der Anzahl der zwischen den Zähnen verlaufenden Ausnehmungen entspricht.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) eine Arbeitselektrode, welche eine Querschnittskontur des herzustellenden Zahnrads aufweist, durch eine axiale Relativbewegung zwischen dem Grundkörper und der Arbeitselektrode in den Grundkörper hineinbewegt wird.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle in Umfangsrichtung des Zahnrads nebeneinander positionierten Ausnehmungen gleichzeitig elektrochemisch abgesenkt werden.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Spalte zwischen der oder jeder Arbeitselektrode und dem Grundkörper mit Elektrolyt versogt werden.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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