Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung oder Bearbeitung eines Zahnrades sowie ein derart hergestelltes oder bearbeitetes Zahnrad.

An moderne Zahnradgetriebe bzw. die Verzahnungen der darin eingesetzten Zahnräder werden immer höhere Anforderungen in Bezug auf Leistungsübertragung und Geräuschverhalten gestellt. Daher werden heutzutage über die konventionelle Zahnflankenform in Form einer Evolvente hinaus die Zahnflankengeometrien durch Flankenlinienkorrekturen gezielt auf die Betriebsbedingungen hin angepasst.

Dabei ist es auch notwendig, die Flankenlinienkorrekturen für die linke und die rechte Zahnflanke jeweils unterschiedlich vorzugeben, da die beiden Zahnflanken im Betrieb unterschiedlichen Belastungen durch Zug oder Druck ausgesetzt sind.

Unterschiedliche Verläufe der Flankenlinienkorrektur für die rechte und die linke Zahnflanke müssen bisher dadurch erzeugt werden, dass das Zahnrad mit zwei unterschiedlichen Maschinen für die jeweils eine Zahnflanke bearbeitet wird, also nach der Bearbeitung der ersten Flanke umgespannt werden muss, so

dass dies in der Praxis beim Wälzstoßen aufgrund des hohen Aufwands nicht angewandt wird.

Aus der DE 102 08 531 Al ist ein Verfahren bekannt, bei dem beim Wälzschleifen eines Zahnrades eine Flankenlinienkorrektur in einem Schleifhub durch eine entsprechende Programmierung der Wälzschleifmaschine erreicht werden kann.

Bei diesem und ähnlichen bekannten Verfahren wird bei der Bearbeitung des Zahnrads, beispielsweise mit einer SchleifSchnecke, die schleifende Hubbewegung des Werkzeugs nicht mehr rein axial in Zahnrichtung durchgeführt, sondern in Richtung der Mitte des Werkstücks leicht schräg mit der gewünschten Neigung ausgeführt. Dabei wird jedoch nicht nur - wie gewünscht - die Zahnflanke bearbeitet. Vielmehr wird durch diese Zusatzbewegung auch immer Material am Zahnfuß abgetragen, aus geometrischen Gründen sogar mehr Material als an der Zahnflanke selbst. Dadurch wird der Zahnfuß geschwächt, was zu einer Schwächung des gesamten Bauteils führt, da in diesem stark beanspruchten Bereich des Zahnrades weniger Material hinterlegt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchführung beliebiger Flankenlinienkorrekturen an einem Zahnrad mittels Wälzstoßen vorzuschlagen, welches in einer Einspannung in einer Maschine durchführbar ist und zu keiner Schädigung des Zahnfußes führt. Weiterhin soll eine Vorrichtung sowie ein durch das Verfahren herstellbares Zahnrad vorgeschlagen werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1, 6 und 10 gelöst.

Danach wird der Drehbewegung von Werkzeug und Werkstück eine auf die Hubbewegung abgestimmte rotatorische Zusatzbewegung zur Erzeugung einer Flankenlinienkorrektur überlagert. So kann schnell und effizient eine beliebige

Flankenlinienkorrektur vorgegeben werden. Das Zahnrad kann so auf den individuellen Einsatzfall optimiert werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Zahnräder hergestellt werden, die gegenüber Zahnrädern mit herkömmlich erzeugten Flankenlinienkorrekturen eine höhere Leistungsübertragung, eine höhere Lebensdauer, einen geringeren Verschleiß sowie eine geringere Geräuschentwicklung aufweisen.

Vorteilhafterweise wird die Zusatzbewegung der Drehbewegung des Werkzeugs überlagert. Alternativ kann die Zusatzbewegung der Drehbewegung des Werkstücks überlagert werden. So muss nur einer der beiden Antriebe für die Drehachsen die für die Aufbringung der Zusatzbewegung notwendige Präzision und Leistung aufweisen, während der andere Antrieb im Verhältnis einfacher und kostengünstiger ausgeführt sein kann (Anspruch 2 oder 3) .

Es ist vorteilhaft, wenn die Zusatzbewegung auf die beiden Drehbewegungen für Werkstück und Werkzeug aufgeteilt wird. So muss die für die Zusatzbewegung erforderliche Leistung nicht von einem Motor alleine aufgebracht werden, sondern kann auf die beiden Antriebe aufgeteilt werden, so dass zwei Antriebe mit geringerer Leistung gewählt werden können, oder in Summe eine sehr hohe Leistung erzielt werden kann (Anspruch 4).

Bevorzugt werden durch das Verfahren die rechte und die linke Zahnflanke getrennt bearbeitet. So können sämtliche Vorzüge des Verfahrens optimal genutzt werden, indem für beide

Flanken unabhängig voneinander eine beliebige End-Kontur vorgegeben werden kann (Anspruch 5).

Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Herstellung und/oder Bearbeitung eines Zahnrades mittels Wälzstoßen vorgeschlagen. Neben den aus dem Stand der Technik bekannten Teilen ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Ansteuerung der Antriebe für die Drehachsen des Werkzeugs und/oder des Werkstücks der wälzenden Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück eine rotatorische Zusatzbewegung überlagerbar. Mit Hilfe dieser Vorrichtung können durch eine flexible Ansteuerung der Achsen nahezu beliebige, auch asymmetrische Flankenformmodifikationen erreicht werden und verändert werden, ohne dass die Vorrichtung dafür umgebaut werden muss (Anspruch 6) .

Vorteilhafterweise werden die Drehachsen für das Werkstück und / oder die Drehachse für das Werkzeug über direktangetriebene Elektromotoren angetrieben. Mit diesen Motoren ist durch das Fehlen von Getrieben mit dem damit verbundenen Spiel die zur Bearbeitung erforderliche Genauigkeit für die Antriebe erreichbar (Anspruch 7) .

Vorzugsweise sind die Motoren als Torque-Motoren ausgeführt. Diese bieten den zusätzlichen Vorteil, hohe Geschwindigkeiten und Drehmomente realisieren zu können (Anspruch 8) .

Es ist vorteilhaft, wenn die Drehachsen für das Werkstück und das Werkzeug sowie die Hubbewegung miteinander synchronisiert sind. So kann die Zusatzbewegung im Zusammenspiel der beiden Drehachsen durch die Maschinensteuerung erreicht werden (Anspruch 9) .

Weiterhin wird ein Zahnrad vorgeschlagen, dessen Zahnflanken eine Flankenlinienkorrektur aufweisen, die beim Wälzstoßen durch eine der wälzenden Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück überlagerte rotatorische Zusatzbewegung erzeugt ist (Anspruch 10) .

Es ist günstig, wenn es sich bei der Verzahnung um eine Innenverzahnung handelt. Bei der Herstellung einer solchen Verzahnung kommen die Vorteile des Wälzstoßens wie der geringe benötigte Arbeitsraum voll zur Geltung (Anspruch 11) .

Vorteilhafterweise besteht das Zahnrad aus einem Metallwerkstoff. Mit einem solchen Werkstoff lässt sich das Verfahren besonders einfach realisieren (Anspruch 12).

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Zahnrades mit einer Flankenlinienkorrektur, Fig. 2 eine beispielhafte Flankenlinienkorrektur in einer

Detailansicht, Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 4 eine Prinzipskizze zur Durchführung des Verfahrens sowie Fig. 5 weitere Beispiele für herstellbare

Flankenlinienkorrekturen .

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Zahnrades 1, welches durch das im Folgenden vorgestellte Verfahren

hergestellt oder bearbeitet werden soll. Das Zahnrad 1 weist eine Mittelachse 2 auf. Dieses Zahnrad 1 wird durch ein an sich bekanntes Wälzstoßverfahren mit einer Verzahnung 3 versehen, welche beliebige Flankenlinienkorrekturen aufweisen soll.

Für Flankenlinienkorrekturen gibt es in der Praxis vielfältige Anwendungsfälle: Zum einen ist es so möglich, einen Härteverzug vorzuhalten, d.h. bei der spanenden Bearbeitung des Zahnrads 1 bereits den Verzug einzuplanen, den das Werkstück durch den späteren Härteprozess erfährt. Weiterhin können Zahnräder optimal auf einen späteren Eingriffsfall angepasst werden. Zum anderen dienen Flankenlinienkorrekturen dazu, die Verformungen zu korrigieren bzw. bei der Fertigung einzuplanen, die sich aus der späteren Beanspruchung im Einsatz ergeben. Dies kann man zum Beispiel durch eine gezielte Materialzugabe in Form einer Balligkeit an den stark beanspruchten Stellen einer Zahnflanke erreichen.

Fig. 2 zeigt zur Erläuterung in einer Detailansicht einen möglichen Verlauf der Geometrie eines einzelnen Zahns 4 mit Zahnflanken 16 nach der Durchführung des Verfahrens. Der Zahn 4 ist dabei in einer in Fig. 1 angedeuteten Draufsicht dargestellt.

Unter Flankenlinienkorrektur 11 soll dabei eine Abweichung der Zahngeometrie in Axialrichtung 20, also in Richtung der Mittelachse 2 des Zahnrades 1 von der normalen Geometrie einer Zahnflanke verstanden werden.

Die Geometrie der rechten Zahnflanke 17 in Fig. 2 entspricht dabei unverändert der üblichen Evolventenverzahnung, während die linke Zahnflanke 19 einen in Axialrichtung 20 konischen

Verlauf aufweist. Dadurch ist auch der Zahnrücken in Axialrichtung 20 konisch zulaufend.

Wollte man eine solche Flankenlinienkorrektur 11 mit einem herkömmlichen Wälzstoßverfahren erzeugen, so müsste man beim Wälzstoßen in Axialrichtung 20 das Werkzeug weiter Richtung Mittelachse 2 des Zahnrades 1 bewegen, womit automatisch auch eine Materialabtragung am Zahnfuß 31 stattfindet, die sogar höher ist als die eigentlich beabsichtigte Materialabtragung an der Zahnflanke 16, weil sie über den Sinus des Anstellwinkels eingeht. Unter Zahnfuß 31 versteht man dabei den Teil des Zahnrades 1, der sich zwischen des in Fig. 1 dargestellten Fußnutzkreis 41 und Fußkreis 33 befindet.

Ob es sich bei der eigentlichen Verzahnung 3 um eine Schrägoder Geradverzahnung handelt, ist dabei unerheblich.

In Fig. 3 ist beispielhaft eine Vorrichtung 21 zur Durchführung des Verfahrens zum Herstellen oder Bearbeiten des Zahnrads 1, im Folgenden auch als Werkstück 7 bezeichnet, dargestellt .

Die Vorrichtung 21, welche aus einem steifen Maschinenbett 22 sowie einem Ständer 24 zusammengesetzt ist, umfasst zunächst ein Werkzeug 5, mit welchem die Bearbeitung des Werkstücks 7 durch Wälzstoßen durchgeführt wird. Dieses Werkzeug 5 weist eine der zu erzeugenden Verzahnung 3 entsprechende Werkzeugverzahnung 35 auf.

Ferner umfasst die Vorrichtung 21 mehrere Maschinenachsen: Zunächst ist eine Drehachse cl für das Werkzeug 5 sowie eine Drehachse c2 für das Werkstück 7 vorgesehen. An diesen Achsen cl und c2 befinden sich jeweils Antriebe 23,25, die entsprechende Drehbewegungen 13,15 ermöglichen. Weiterhin

ermöglicht die Vorrichtung 21 eine Hubbewegung z, die dem eigentlichen Bearbeitungsprozess in axialer Richtung entspricht. Als vierte Achse weist die Vorrichtung eine Vorschubachse x auf, durch die eine Zustellbewegung von Werkzeug 5 und Werkstück 7 aufeinander zu ermöglicht wird. Das Werkzeug 5 führt also bei der Bearbeitung des Werkstücks 7 schnelle Hubbewegungen in z-Richtung aus, bei denen das Material des Werkstücks 7 abgetragen wird. Währenddessen führen Werkzeug 5 und Werkstück 7 wälzende Drehbewegungen aus, so dass eine Evolventenverzahnung erzeugt wird. Mit Fortschreiten der Bearbeitung werden die Zahnlücken tiefer und das Werkzeug 5 wird in Richtung x bewegt, bis es die Tauchtiefe erreicht hat.

Neben den eben genannten Elementen umfasst die Vorrichtung 21 in diesem Ausführungsbeispiel noch ein Handhabungsgerät 37. Diese kann eine Anzahl von Werkstück-Rohlingen aufnehmen und sie der Bearbeitung zuführen oder nach der Bearbeitung aus der Einspannung entnehmen. Dieses Handhabungsgerät 37 kann weiterhin einen Sensor zur Positionierung der Werkstücke 7 in der Vorrichtung 21 umfassen, der mit dem Antrieb 25 der Drehachse c2 des Werkstücks 7 sowie mit dem Vorschub x elektrisch verbunden ist. In diesem Beispiel rotiert das Handhabungsgerät 37 wie durch den Pfeil angedeutet. Auf diese Weise kann die Herstellung und Bearbeitung der Zahnräder 1 mit einem hohen Automatisierungsgrad erfolgen.

Ist die eigentliche Verzahnung 3 fertig gestellt, folgt in einem weiteren Verfahrenschritt nun die Herstellung der Flankenlinienkorrektur 11:

Zur Illustration dient Fig. 4, welche schematisch die Relativbewegung von Werkzeug 5 und Werkstück 7 darstellt. Zu sehen ist die Vorschubbewegung in x-Richtung, die Hubbewegung

in z-Richtung, die in dieser Darstellung senkrecht zur Zeichenebene verläuft, sowie die wälzenden Drehbewegungen cl und c2. Hat das Werkzeug 5 schon seine Tauchtiefe erreicht, so wird der wälzenden Bewegung der beiden Zahnräder 5 und 7 eine rotatorische, mit der Hubachse abgestimmte, Zusatzbewegung 9 überlagert. Diese Zusatzbewegung wird in diesem Ausführungsbeispiel auf zwei Einzelbewegungen 9' und 9'', die jeweils von den Antrieben 23 bzw. 25 für die Drehachsen cl bzw. c2 durchgeführt werden. Durch diese, im Vergleich zur Wälzbewegung sehr schnelle bzw. hochfrequente Zusatzbewegung 9, die dazu eine sehr kleine Amplitude aufweist, wird während eines Hubs des Werkzeugs 5 in z- Richtung eine bestimmte Flankengeometrie auf die jeweils im Eingriff befindliche Zahnflanke 16 aufgeprägt.

Es wird also eine rotatorische Gesamtbewegung durchgeführt die zusammengesetzt ist aus einer Grundbewegung 13,15, welche der Wälzbewegung der Zahnräder 5,7 aufeinander entspricht, und einer hochfrequenten überlagerten Zusatzbewegung 9, die für die Erzeugung der Flankenlinienkorrektur 11 zuständig ist. Diese Zusatzbewegung 9 muss daher sehr schnell und relativ klein sein, weil sie innerhalb eines Werkzeughubs in z-Richtung die gewünschte Geometrie der Zahnflanke 16 durchlaufen muss.

Auf diese Weise können - abhängig von der Leistung und Schnelligkeit der Antriebe 23,25 - nahezu beliebige Flankenlinienkorrekturen 11 vorgegeben und einzig durch die Ansteuerung der Antriebe 23,25 realisiert werden.

Da sich die Zusatzbewegung 9 direkt auf die Bearbeitung der Zahnflanke 16 selber beschränkt, kommt es zu keiner Materialabtragung am Zahnfuß 31. Der Durchmesser des Fußkreises 33 bleibt daher unverändert.

Idealerweise sind die beiden Antriebe 23, 25 miteinander synchronisiert, um die Zusatzbewegung 9 auf beide Drehachsen cl und c2 verteilen zu können, so dass sich die Leistungsfähigkeit der beiden Motoren addiert. Durch die Kombination zweier leistungsstarker und hochpräziser Antriebe 23, 25 kann so eine sehr hohe Gesamtleistung erreicht werden.

Im Unterschied zu diesem Ausführungsbeispiel kann die rotatorische Zusatzbewegung 9 auch nur einer Drehbewegung, also der Drehbewegung 13 des Werkzeugs 5 oder der Drehbewegung 15 des Werkstücks 7 überlagert werden. So muss der Antrieb 23 bzw. 25 der jeweils anderen Drehachse cl bzw. c2 nicht ganz so leistungsstark sein.

Als Antriebe 23, 25 werden in diesem Beispiel direktangetriebene Elektromotoren 27, 29 verwendet. Diese weisen keine Getriebe und daher auch kein Spiel auf, was eine hohe Präzision mit sich bringt. Insbesondere werden hier Torque-Motoren eingesetzt. Dies sind hochpolige, permanent erregte Synchronmotoren, die als Außenläufer, also mit einem außen liegenden Rotor konzipiert sind. Sie bieten den Vorteil, sehr schnelle Drehbewegungen mit einer hohen Bewegungsdynamik und hohen Genauigkeit auf die Antriebsachsen cl, c2 aufprägen zu können und sind daher sehr gut für die Erzeugung der Zusatzbewegung 9 geeignet. Mit konventionellen, spielbehafteten Antrieben wäre das Verfahren nicht durchführbar.

In Fig. 5 sind beispielhaft weitere Ausführungsformen der Flankenlinienkorrekturen 11 gezeigt. Während die linke Zahnflanke 19 konisch ausgeführt ist, sind verschiedene Varianten der Flankenlinienkorrektur 11 für die rechte Zahnflanke 17 angedeutet. Denkbar sind beispielsweise ballige

Ausführungen oder konische Ausführungen oder beliebige Kombinationen von konischen, geraden und balligen Teilstücken. Diese Geometrien sind beliebig über die Steuerung der Antriebe 23, 25 beziehungsweise deren Zusammenspiel programmierbar; Somit kann die Flankenlinienkorrektur 11 auf den jeweiligen Belastungsfall abgestellt werden. Mit diesem Verfahren sind Geometrien realisierbar, die bisher nicht mechanisch herstellbar waren.

Als Werkstoffe für die Zahnräder 1 stehen in diesem Anwendungsbeispiel, wie auch generell in der Praxis Metallwerkstoffe, speziell Stähle, allein schon wegen der guten mechanischen Bearbeitbarkeit im Vordergrund. Das Verfahren ist aber auch gut geeignet zur Herstellung oder Bearbeitung von Zahnrädern aus Kunststoffen oder keramischen Werkstoffen. Insbesondere bei keramischen Werkstoffen ist es denkbar, ein Werkstück 7 im halbgesinterten Zustand durch das Verfahren zu bearbeiten und dann durch einen weiteren Sinterprozess fertig zu stellen.

Weiterhin ist es möglich, sowohl weiche als auch harte Werkstoffe auf diese Weise zu bearbeiten, also beispielsweise ein Werkstück 7 zunächst durch das Verfahren zu bearbeiten und anschließend zu härten oder umgekehrt ein bereits gehärtetes Werkstück 7 zu bearbeiten.

Darüber hinaus dienen das Verfahren und die Vorrichtung 21 sowohl zur Komplettbearbeitung, also zur Herstellung eines Zahnrades 1 aus einem Vollmaterial, als auch zur Fertigbearbeitung eines bereits vorgefertigten Zahnrades 1. Es ist beispielsweise denkbar, einen Zahnradrohling mit einem anderen Verfahren, z.B. einem Wälzfräsverfahren zu fertigen und dann lediglich die Flankenlinienkorrektur 11 mit dem oben vorgestellten Verfahren durchzuführen.

Die hergestellten Bauteile können überall in der industriellen Praxis eingesetzt werden, wo Zahnräder mit stoßbaren Verzahnungen Verwendung finden. Ein großer Einsatzbereich ist der Automobilsektor, wo derartige Zahnräder in Getrieben, in Zahnkränzen im Motortrieb oder in Achsen eingesetzt werden können. Denkbar sind aber auch andere Anwendungsbereiche wie Haushaltsgeräte wie Kettensägen oder Küchenmixer.

Das Verfahren und die Vorrichtung 21 sind nicht beschränkt auf die dargestellten Ausführungsbeispiele.

Beispielsweise kann die Vorrichtung 21 auch mehr als die vier in Fig. 3 dargestellten Maschinenachsen cl, c2, x und z umfassen.

Weiterhin ist die herstellbare Verzahnung 3 nicht beschränkt auf die in den Figuren dargestellte Außenverzahnung. Diese wurde hier nur aus Gründen der Anschaulichkeit gewählt. Denkbar sind Zahnräder mit Innen- und Außenverzahnung sowie Kronräder. Besonders günstig ist das Verfahren auch bei einer Verzahnung gegen einen Bund einsetzbar.

Selbstverständlich sind ferner Flankenlinienkorrekturen 11 sowohl an Schräg- als auch an Geradverzahnungen durch das Verfahren durchführbar. Weiterhin ist das Verfahren auch auf Verzahnungen anwendbar, die nicht die Form einer Evolvente aufweisen .