DE10119050A1

DE10119050A1 - Geradzahnkegelräder mit verbesserter Zahnfußgebietsgeometrie und Verfahren zum Herstellen eines Gelenks zum Herstellen von ihnen

Info

Publication number: DE10119050A1
Application number: DE10119050A
Authority: DE
Inventors: Wei-Jiung Tsung
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Automotive Systems Group LLC
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2001-10-25
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: US6324931B1; JP2011153710A; JP5203548B2; JP5300886B2; JP2002021979A; DE10119050B4

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Entwerfen einer Fußgebietsgeometrie eines Geradzahnkegelrads offenbart, das eine reduzierte Belastungskonzentration und eine erhöhte Zahnfestigkeit liefert. Ebenso ist ein Verfahren zum Herstellen eines Gesenks zum Herstellen von Getrieben mit einer verbesserten Zahnfußgeometrie offenbart. Das Verfahren enthält die Schrite zum Entwerfen des Geradzahnkegelrads mit verbesserter Fußgebietsgeometrie, zum Entwerfen einer Elektrode für eine elektrische Entladungsbearbeitung und unter Verwendung einer CAD/CAM-Vorrichtung, zum Herstellen der Elektrode und zum Herstellen des Gesenks unter Verwendung des elektrischen Entladungsbearbeitungsprozesses.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Getriebe und ein Verfahren zum Herstel len derselben, und insbesondere Geradzahnkegelräder mit verbesserter Zahnfuß gebietsgeometrie und ein Verfahren zum Herstellen eines Gesenks zum Herstellen derselben.

Geradzahnkegelräder werden für viele Autoanwendungen verwendet, wie beispiels weise für ein Differentialgetriebe. Gegenwärtig verwenden Getriebehersteller eine Anzahl von verschiedenen Verfahren zum Herstellen von Getrieben. In letzter Zeit hat sich die Schmiedetechnologie enorm entwickelt und ist sehr populär geworden. Verglichen mit einer spanenden Formgebung hat ein Schmieden seine Vorteile beim Verbessern der Produktqualität durch Erreichen einer hohen Steifigkeit bzw. Starrheit in bezug auf das Material, ohne die Materialfließlinien zu trennen, eines guten Ober flächenzustands beim ausgebildeten Teil und einer Fließverfestigung, die eine Wi derstandsfähigkeit erhöht, und einer schnellen Zykluszeit, die für eine Massenher stellung geeignet ist.

Ein Gesenkentwurf ist wesentlich für das Herstellen des Getriebes, weil er die Form des Getriebes bestimmt, und daher eine Wirksamkeit des Zahnradantriebs, der die ses Getriebe enthält. Gegenwärtig werden Gesenke für Geradzahnkegelräder durch einen Zahnradfräser erzeugt. Somit wird ein Fußgebiet des Geradzahnkegelrads durch den Radius des Fräserrands bestimmt. Das gegenwärtige Verfahren zum Herstellen des Zahnradfräsers ist nicht optimiert in bezug auf einen Radius des Frä serrandes, was eine Spannungskonzentration in einem Getriebefußgebiet erzeugt.

Die vorliegende Erfindung mildert die Nachteile des Standes der Technik ab.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Entwerfen von Getrieberadprofi len. Ein wichtiges Element dieser Erfindung ist eine Technik zum Definieren eines Fußgebietsprofils des Getriebezahns, die gegenüber den gegenwätigen Entwürfen eine reduzierte Spannungskonzentration und eine verbesserte Haltbarkeit liefert. Die vorliegende Erfindung offenbart mathematische Gleichungen, die die Position ir gendeiner Stelle auf der Oberfläche des Getriebefußgebiets bestimmen.

Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Zahnkegelrad durch ein Gesenk hergestellt. Das Verfahren zum Herstellen des Ge triebegesenks wird in der vorliegenden Erfindung betrachtet. Dieses Verfahren ent hält die Schritte zum: (a) Bestimmen einer Getriebefußgebietsgeometrie, (b) Entwer fen eines Geradzahnkegelrads mit der Getriebefußgebietsgeometrie, wie sie im vor herigen Schritt bestimmt ist, (c) Entwerfen einer Elektrode für eine elektrische Entla dungsbearbeitung (EDM) auf einer CAD/CAM-Vorrichtung unter Verwendung nume rischer Daten aus dem Schritt (b), (d) Herstellen der Elektrode für die elektrische Entladungsbearbeitung und (e) Herstellen des Gesenks unter Verwendung des elektrischen Entladungsbearbeitungsprozesses unter Verwendung der Elektrode. Somit eliminiert das vorliegende Verfahren die Notwendigkeit für den Zahnradfräser, und das gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellte Gesenk entspricht eher dem Profil des ursprünglich entworfenen Getriebes.

Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus einem Studium der folgen den Beschreibung klar werden, wenn sie angesichts der beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, wobei:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht eines Geradzahnkegelrads ist;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Geradzahnkegelrads ist;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Fußgebietsprofils in der y-z-Ebene ist; und

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Getriebe gesenks ist.

Fig. 1 der Zeichnungen stellt ein Geradzahnkegelrad 1 dar, das in einem kartesi schen Koordinatensystem x-y-z angeordnet ist. Das Geradzahnkegelrad 1 hat eine Vielzahl von Zähnen 3, die eine Getriebezahnoberfläche S bilden, die eine Vielzahl von sich abwechselnden Kopfflächen 4, Arbeitsflächen 5 und Fußflächen 6 aufweist. Eine Getriebefußlinie RR stellt eine Linie einer Generatrix bzw. Erzeugenden eines Getriebefußkonus dar. Der Getriebefußkonus wird durch Drehen der Linie RR um eine Getriebeachse mm mit einem Winkel γ_R ausgebildet, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Der Einfachheit halber ist das Getriebe 1 im Koordinatensystem x-y-z auf eine derartige Weise angeordnet, daß eine Koordinatenachse x mit der Getriebeachse MM zusammenfällt.

Wie es wohlbekannt ist, kann die Zahnform eines Geradzahnkegelrads im allgemei nen in der Form einer sphärischen Involute bzw. Evolvente oder eines Oktoiden sein. Für diese Art von Erzeugung der Zahnform kann irgendeine Stelle auf der Linie, die durch Schneiden der Getriebeoberfläche S mit einer ebenen Oberfläche senkrecht zu einer Getriebeachse x oder mit einer Oberfläche senkrecht zur Getriebefußlinie RR ausgebildet ist, durch einen Positionsvektor r und einen Einheits-Normalenvektor n in bezug auf das kartesische Koordinatensystem x-y-z dargestellt werden.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Fuß gebietsgeometrie. Zuerst werden Stellen A und B auf der Fußoberfläche 5 ausge wählt, wobei die Stelle bzw. der Punkt B das Spiegelbild der Stelle bzw. des Punkts A in bezug auf eine Ebene ist, die durch die Getriebeachse x verläuft. Eine Stelle bzw. ein Punkt E ist auf der Linie R-R angeordnet, die, wie es oben angemerkt wur de, die Generatrix bzw. Erzeugende des Fußkonus ist. Der Positionsvektor der Stelle E, der in Fig. 2 dargestellt ist, wird durch die folgende Gleichung bestimmt:

wobei:
- ein Positionsvektor der vorbestimmten Stelle E ist;
- ein Positionsvektor einer vorbestimmten Stelle A auf der Zahnfußober fläche ist, die eine andere als die Linie R-R ist;
AC - ein Abstand bzw. eine Entfernung zwischen den Stellen bzw. Punkten A und C ist;
- ein Einheits-Tangentenvektor der Stelle A ist;
h - ein Abstand zwischen den Punkten C und M ist;
- ein Einheitsvektor entlang einer Linie ME ist, wobei eine Stelle M eine Mitte einer Linie AB ist,
eine Stelle B symmetrisch zur Stelle A relativ zu einer Ebene ist, die sich durch die Achse x und die Linie R-R erstreckt, und auf dem Fußgebiet 6 des benachbarten Getriebezahns angeordnet ist,
C eine Stelle einer Schnittstelle der Einheits-Tangentenvektoren und ist, wobei ein Einheits-Tangentenvektor der Stelle B ist. Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, sind die Einheits-Tangentenvektoren und jeweils entlang Linien AC und BC angeordnet.

Komponenten der Gleichung (1) sind in Fig. 3 dargestellt.

Unter der Annahme, daß die Positionsvektoren und , die Einheitsvektoren , , und der Abstand AC bekannt sind, könnte der unbekannte Koeffizient δ aus der Gleichung (1) folgendermaßen bestimmt werden:

Irgendeine Stelle K auf dem Bogen (d. h. auf der im Getriebezahnfußgebiet 6 angeordneten Zahnfläche) kann durch Verwenden einer Parameter- Mischungsfunktion bestimmt werden, um somit das Zahnfußgebiet zu bestimmen. Die folgende Gleichung wird zum Bestimmen eines Positionsvektors der Stelle bzw. des Punkts K verwendet:

wobei:
- ein Positionsvektor der vorbestimmten Stelle B auf der Zahnfläche im Getriebezahnfußgebiet ist, das ein anderes als der bekannte Getriebezahnfußkonus ist;

F₁ = 2u³ - 3u² + 1;
F₂ = -2u³ + 3u²;
F₃ = u³- u²+ u;
F₄ = u³ - u²;

wobei hier u eine reale Zahl mit 0 ≦ u ≦ 1 ist.

Wenn wir die Gleichung (3) für eine Reihe von Werten u lösen, erhalten wir die Posi tion der Stellen K auf dem Bogen . So wird die Fußgebietsgeometrie des Gerad zahnkegelrads definiert. Da das Zahnfußgebiet gemäß der vorliegenden Erfindung als glatte Kurve definiert wird, wird die Zahnbelastungskonzentration reduziert und wird die Zahnfestigkeit erhöht.

Die Geometrie des Kopfgebiets des Getriebes wird unter Verwendung herkömmli cher Verfahren bestimmt, die im Stand der Technik wohlbekannt sind.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen ei nes Gesenks zum Herstellen von roh ausgebildeten Getrieben (Geradzahnkegelrädern) mit einer verbesserten Zahnfußgeometrie, welches Verfah ren schematisch in Fig. 4 gezeigt ist.

Der erste Schritt 10 dieses Verfahrens dient zum Bestimmen der Zahnfuß- und kopf gebietsgeometrie unter Verwendung des oben detailliert beschriebenen Verfahrens.

Der nächste Schritt 12 im Prozeß zum Herstellen des Gesenks ist ein Verwenden einer computerunterstützten Fertigungs- bzw. Herstellungs-(CAM-)Vorrichtung zum Entwerfen einer Elektrode für eine elektrische Entladungsbearbeitungs- (EDM-)Vorrichtung. Die CAM-Vorrichtung verwendet numerische Daten in bezug auf die Getriebezahngeometrie, wie es oben beschrieben ist, um somit den Schritt zum Herstellen eines Mustergetriebes bzw. -zahnrads durch einen speziellen Zahnradfrä ser zu eliminieren.

Dann werden die CAM-Daten zu einer Werkzeugmaschine mit numerischer Compu tersteuerung (CNC) zum Herstellen der Elektrode übertragen bzw. transferiert (Schritt 14). Später wird die so hergestellte Elektrode im herkömmlichen EDM- Prozeß 16 verwendet, der Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt ist. Schließlich werden ein Feinschleifen 18 und ein Läppen 20 angewendet, um eine hochglanzver chromte Oberfläche für das Gesenk zu erhalten.

Daher läßt das neue Verfahren zum Herstellen des Gesenks zum Herstellen von Ge radzahnkegelrädern mit verbesserter Fußgeometrie der vorliegenden Erfindung, wie sie im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel offenbart ist, zu, Geradzahnkegel räder mit verbesserter Fußgeometrie herzustellen, die eine reduzierte Belastungs konzentration und eine erhöhte Zahnfestigkeit bieten. Wenn sie bei einer Herstellung verwendet wird, läßt die vorliegende Erfindung zu, die Herstellungskosten zu redu zieren und die Qualität der Herstellung zu verbessern.

Die vorangehende Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorlie genden Erfindung ist gemäß den Voraussetzungen der Patentanmeldeverordnungen zum Zwecke einer Darstellung präsentiert worden. Es ist nicht beabsichtigt, daß sie erschöpfend ist oder daß sie die Erfindung auf die offenbarten präzisen Formen be schränkt. Offensichtliche Modifikationen oder Variationen sind angesichts der obigen Lehren möglich. Das hierin oben offenbarte Ausführungsbeispiel wurde gewählt, um die Prinzipien der vorliegenden Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten darzustellen, um dadurch Fachleuten auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung in bezug auf verschiedene Ausführungsbeispiele und mit verschiedenen Modifikatio nen am besten anzuwenden, wie sie für die betrachtete bestimmte Anwendung ge eignet sind, solange den hierin beschriebenen Prinzipien gefolgt wird. Somit können Änderungen in bezug auf die oben beschriebene Erfindung durchgeführt werden, ohne von ihrer Intention und ihrem Schutzumfang abzuweichen. Es ist auch beab sichtigt, daß der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Getriebe (1) mit einer Vielzahl von Zähnen (3), wobei jeder Zahn eine Arbeits fläche (5) hat, die eine Arbeitsfläche eines Zahns eines eingreifenden Getrie bes kontaktiert, wobei die Arbeitsfläche jedes Zahns des Getriebes zwischen einer Kopffläche (4) und einer Fußfläche (6) ist, die eine Zahnhöhe definieren, und wobei die Arbeitsfläche eine Fußprofilgeometrie hat, die gemäß der fol genden Gleichung bestimmt ist:
wobei: - ein Positionsvektor irgendeiner Stelle K auf einer Zahnfläche ist, die in einem Getriebezahnfußgebiet angeordnet ist;
- ein Positionsvektor einer vorbestimmten Stelle A auf der Zahno berfläche im Getriebezahnfußgebiet ist, das ein anderes als der bekannte Ge triebezahnfußkonus ist;
- ein Positionsvektor einer vorbestimmten Stelle B auf der Zahnflä che im Getriebezahnfußgebiet ist, das ein anderes als der bekannte Getriebe zahnfußkonus ist;
F₁ = 2u³ - 3u² + 1;
F₂ = -2u³ + 3u²;
F₃ = u³ - 2u²+u;
F₄ = u³ - u²;
wobei u eine reale Zahl mit 0 ≦ u ≦ 1 ist;
δ - ein Koeffizient ist, der aus der folgenden Gleichung bestimmt wird:
wobei:
- ein Positionsvektor einer vorbestimmten Stelle E auf einer Zahnoberfläche ist, die in einem bekannten Getriebezahnfußkonus angeordnet ist;
AC - ein Abstand zwischen den Stellen A und C ist;
- ein Einheits-Tangentenvektor der Stelle A ist;
- ein Einheits-Tangentenvektor der Stelle B ist;
- ein Positionsvektor einer Stelle C ist, die eine Schnittstelle der bekannten Einheitsvektoren und ist;
- ein Einheitsvektor entlang einer Linie ME ist, wobei eine Stelle M eine Mitte der Linie AB ist.

2. Verfahren zum Herstellen eines Gesenks zum Herstellen von Getrieben mit einer verbesserten Zahnfußgeometrie, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

1. (1) Bestimmen einer Getriebefußgebietsgeometrie;
2. (2) Entwerfen eines Geradzahnkegelrads mit der Getriebefußgebietsgeome trie, wie sie im Schritt (1) bestimmt ist;
3. (3) Entwerfen einer Elektrode für eine elektrische Entladungsbearbeitung, wobei die Elektrode in der Form einer genauen Nachbildung des roh bzw. grob gebildeten Getriebes ist, das im Schritt (2) bestimmt ist;
4. (4) Herstellen der Elektrode für die elektrische Entladungsbearbeitung, und
5. (5) Herstellen des Gesenks unter Verwendung des elektrischen Entladungs bearbeitungsprozesses unter Verwendung der Elektrode.

3. Verfahren zum Herstellen eines Gesenks zum Herstellen von Getrieben mit einer verbesserten Zahnfußgeometrie, wie es im Anspruch 1 definiert ist, wobei die Getriebefußgebietsgeometrie gemäß der folgenden Gleichung bestimmt wird:
wobei: - ein Positionsvektor irgendeiner Stelle K auf einer Zahnfläche ist, die in einem Getriebezahnfußgebiet angeordnet ist;
- ein Positionsvektor einer vorbestimmten Stelle A auf der Zahno berfläche im Getriebezahnfußgebiet ist, das ein anderes als der bekannte Ge triebezahnfußkonus ist;
- ein Positionsvektor einer vorbestimmten Stelle B auf der Zahnflä che im Getriebezahnfußgebiet ist, das ein anderes als der bekannte Getriebe zahnfußkonus ist;
F₁ = 2u³ - 3u²+ 1;
F₂ = -2u³ + 3u²;
F₃ = u³ - 2u²+ u;
F₄ = u³ - u²;
wobei u eine reale Zahl mit 0 ≦ u ≦ 1 ist;
δ - ein Koeffizient ist, der aus der folgenden Gleichung bestimmt wird:
δ = ( - r^{(A) -}AC. + h.)/(h.),
wobei:
- ein Positionsvektor einer vorbestimmten Stelle E auf einer Zahnoberfläche ist, die in einem bekannten Getriebezahnfußkonus angeordnet ist;
AC - ein Abstand zwischen den Stellen A und C ist;
- ein Einheits-Tangentenvektor der Stelle A ist;
- ein Einheits-Tangentenvektor der Stelle B ist;
- ein Positionsvektor einer Stelle C ist, die eine Schnittstelle der bekannten Einheitsvektoren und ist; - ein Einheitsvektor entlang einer Linie ME ist, wobei eine Stelle M eine Mitte cler Linie AB ist.