Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung an rota- tionssymmetrischen Oberflächen metallischer Antriebselemente, wobei insbesondere Antriebselemente, wie z.B. Zahnräder oder Antriebswellen, die in mechanischen Getrieben eingesetzt werden können, so bearbeitet werden.

Hinsichtlich Entwicklung und Validierung eines innovativen Getriebekonzeptes für Elektrofahrzeuge der nächsten Generation steht maßgeblich der Aspekt der Senkung der Umweltbelastung im Fokus. Wichtige Kriterien, respektive das „Realisierungsproblem", sind ein nahezu wartungsfreier Betrieb, die Reichweitenerhöhung durch Leichtbau, weniger Spanvolumen sowie eine maximal ressourceneffiziente Gesamtproduktionskette in Kombination miteinan- der. Ein besonderer Zielkonflikt besteht dabei zwischen Festigkeit, Leichtbau und Akustik: Selbst in Hochleistungsgetrieben von Hubschraubern mit Trockennotlauffunktion ist im Falle eines Öl(druck)verlustes lediglich eine be- schränkte Restflugzeit von max. 15 min möglich, wobei nach der Landung das Getriebe getauscht werden muss. Problematisch sind die hohen Temperaturen, denn ein ölfreier Betrieb kühlt vor allem weniger, zusätzlich steigt die Reibung und somit der Wärmeeintrag in die Zahnflanken. Ein Ansatz wäre, die Flankenpressung deutlich zu verringern, jedoch würde dabei die Verzahnung aus Einsatz-Stahl deutlich größer (Modul und Zahnbreite) ausfallen und die Leistungsgewichtsanforderungen nicht erfüllen.

Entsprechend dieser Problematik wurde in dieser Erfindung ein alternatives Vorgehen in der Auslegung, gepaart mit neuen Herstellungs- und Beschichtungsansätzen kombiniert. Es werden daher bei der Getriebeauslegung und - fertigung Mittel gewünscht, mit denen eine schmiermittelfreie Getriebestufe für hochbelastete Fahrantriebe realisierbar ist, die sich perspektivisch auch für die Luftfahrt eignen.

Dabei ist die Reduzierung der Reibung in Getrieben essentiell. Dies ist als Ausgangsbasis mit Verzahnungen, die per se eine verlustarme Makrogeometrie besitzen (Eingriffsbereich möglichst nah am Wälzkreisdurchmesser), möglich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Herstellung von besonders reibungsverlustarmen Verzahnungen, die in Getrieben eingesetzt werden können, anzugeben, wobei die Herstellung kostengünstig und ressourceneffizient erfolgen sollte.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine rotationssymmetrische Oberfläche eines metallischen Werkstücks, das drehbar gelagert ist, mit den konturierten äußeren Oberflächen von mindestens zwei in einem gleichen Winkelabstand zueinander angeordneten und drehbar gelagerten jeweils gleichen Umformwerkzeugen mit der Oberfläche des Werkstücks, an der eine Verzahnung ausgebildet werden soll, mit ihren die Form der Verzahnung vorgebenden äußeren Oberflächen in berührenden Kontakt gebracht. Die Umformwerkzeuge üben Druckkräfte gegen diese Oberfläche des Werkstücks aus.

Die Umformwerkzeuge und/oder das Werkstück werden mit einem Drehantrieb angetrieben, so dass die Umformwerkzeuge mit gleicher Drehzahl gedreht werden. Es besteht die Möglichkeit, dass das Werkstück ohne Drehantrieb durch zunächst Reibschluss und nachfolgend durch Formschluss mit den Umformwerkzeugen entsprechend mit gedreht wird. Dabei sind die Umfangsgeschwindigkeiten von Werkstück und Umformwerkzeugen jeweils gleich groß.

Der Abstand der Rotationsachsen der Umformwerkzeuge bei Ausbildung einer Außen Verzahnung durch Umformung wird sukzessive verringert und bei Ausbildung einer Innenverzahnung durch Umformung wird er sukzessive vergrößert, bis die vorgegebene Form der Verzahnung durch plastische Umformung erreicht worden ist.

Mit dem Verfahren wird eine Verzahnung unmittelbar nach der Umformung oder einem Aufbringen einer Beschichtung, die nach erfolgter Umformung zumindest auf Oberflächenbereiche der ausgebildeten Verzahnung aufgebracht wird, ausgebildet, die eine Profilüberdeckung e a < 1,0 und einen Eingriffswinkel > 20° aufweist.

Vorteilhaft sollte bei der Verzahnung ein Kopfeingriffsverhältnis von 1:1 eingehalten sein. Dabei sollte das Kopfeingriffsverhältnis zumindest nahezu bei 1:1 gehalten sein. Geringfügige Abweichungen von diesem Verhältnis von maximal 5 % können ggf. zugelassen werden.

Die mit den Umformwerkzeugen gegen die Werkstückoberfläche aufgebrachte Druckkraft und die Vorschubgeschwindigkeit, mit der die Umformwerkzeuge in Richtung der umzuformenden Oberfläche des Werkstücks bewegt werden, sollte in Abhängigkeit des Werkstückwerkstoffs und der Außendurchmesser der Umformwerkzeuge gewählt werden.

Bei der Umformung können zwei Umformwerkzeuge in einem Winkelabstand von 180° und drei Umformwerkzeuge in einem Winkelabstand von 120° mit ihren Rotationsachsen zueinander angeordnet sein.

Die erfindungsgemäß hergestellten Verzahnungen sollten auch eine ganzzahlige Sprungüberdeckung aufweisen.

Die erfindungsgemäß hergestellten reibungsverlustarmen Verzahnungen sollten außerdem einen Zahnhöhenfaktor als Verhältnis von Zahnhöhe zu Modul von kleiner 2,5 aufweisen. Es ist eine Konzentration des Zahneingriffes um den Wälzkreisdurchmesser möglich, was zugleich Gleitgeschwindigkeit und somit Reibungsverluste verringert. Es kann eine Reduzierung der Reibungsverluste um fast zwei Drittel (60 %) gegenüber konventionellen Verzahnungen erreicht werden.

Das Verfahren basiert auf einem Verzahnungswalzen, bei dem die Form und Dimensionierung der Verzahnung spanlos durch reine plastische Umformung erhalten werden kann. Es ist keine Erwärmung des Werkstücks vorgesehen, so dass sich auch der Effekt der Kaltverfestigung bei Stählen als Werkstückwerkstoff nutzen lässt.

Das Verfahren kann auch als Profil-Querwalzen mit rotationssymmetrischen Werkzeugen bezeichnet werden. Bei dieser Variante des Profilwalzens dringen zwei außenverzahnte Umformwerkzeuge unter gleichsinniger Rotation in eine gegenläufig rotierende, rotationssymmetrische Werkstückoberfläche infolge einer Vorschubbewegung der Umformwerkzeuge bei gleichzeitiger Drehung der Umformwerkzeuge ein.

Im Prozess fließt der Werkstoff des Werkstücks unter Druck in die Zahnlücken der Umformwerkzeuge. Die gewünschte Verzahnungskontur am Werkstück entsteht somit durch das Abwälzen des Werkstückes mit den Umformwerkzeugen. Der gesamte Walzprozess gliedert sich vorteilhaft in die drei Phasen Anwalzen, Eindringen und Kalibrieren. Beim Anwalzen sollte eine kleinere Werkzeugdrehzahl (10 U/min bis 20 U/min) als bei einem nachfolgenden Eindringen (20 U/min bis 40 U/min) und einem sich daran anschließenden Kalibrieren (20 U/min bis 40 U/min) eingehalten werden. Beim Anwalzen sollte auch eine kleinere Vorschubgeschwindigkeit (< 0,2 mm/s) der Umformwerkzeuge in Richtung Oberfläche des Werkstücks eingehalten werden, als zu Be- ginn der Eindringphase (< 0,3 mm/s). Mit steigender Eindringtiefe sollte auch die Vorschubgeschwindigkeit während der Eindringphase reduziert werden (< 0,05 mm/s), um die resultierenden Umformkräfte nicht zu stark ansteigen zu lassen. Beim Kalibrieren erfolgt keinerlei Vorschubbewegung der Umformwerkzeuge, sie werden nur noch weitergedreht.

Vorteilhaft sollte nach vorgebbaren Anzahlen an Umdrehungen des Werkstücks bzw. in Abhängigkeit der Umformwerkzeugeindringtiefe jeweils eine Drehrichtungsumkehr durchgeführt werden, um eine symmetrische Ausformung der einzelnen Zähne der Verzahnung zu erreichen.

Die jeweilige Anzahl der Umdrehungen sowie die Vorschubgeschwindigkeiten können entsprechend dem jeweiligen Werkstückwerkstoff und den Außendurchmessern der Umformwerkzeuge sowie der Verzahnungsgeometrie des Werkstücks angepasst werden.

Durch die Anwendung der Umformtechnologie als Verzahnungsherstellungsverfahren lassen sich unter Beachtung spezifischer Randbedingungen folgende Vorteile erreichen:

- kein Materialverlust bei umformender Fertigung

- kurze Prozesszeiten bis zum fertigen Werkstück

- pressblanke Verzahnungsoberflächen mit folgenden Oberflächenpa- ramtern: Ra < 0,4 pm, Rz < 1,0 pm, Rmr > 70%

- signifikante Senkung der Riefigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren mit geometrisch bestimmter oder unbestimmter Schneide

- Festigkeitszunahme gegenüber Zahnfußbruch

- verbesserte finale Bauteileigenschaften durch konturangepassten Fase rverl auf.

Die erfindungsgemäß erhaltene Zahngeometrie kommt dem Walzprozess entgegen und führt zu einer Verbesserung der Werkstückqualität. Im Ergebnis können die Verzahnungsqualitäten verbessert, die Schließfaltentiefe am Zahnkopf verringert und eine optimale Oberflächenstruktur für einen nachfolgenden Beschichtungsprozess geschaffen werden. Wie bereits angedeutet, können die Reibungsverluste zusätzlich mit einer Beschichtung reduziert werden, die zumindest auf Oberflächenbereiche der Verzahnung nach dem Umformen aufgebracht werden kann. Dabei sollten zumindest Oberflächenbereiche, die besonders auf Reibung beansprucht werden, so beschichtet werden.

Dabei sollte eine Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem und wasserstofffreien Kohlenstoff (ta-C) mit einem PVD-Verfahren mit einer Mindest- schichtdicke von 2 pm, bevorzugt mindestens 5 pm und besonders bevorzugt von mindestens 10 pm ausgebildet werden. Die Beschichtung mit ihren Abmaßen sollte bei der Umformung berücksichtigt werden, so dass die im Anspruch 1 genannten Parameter der Verzahnung auch mit der Beschichtung eingehalten werden.

Sowohl die Beanspruchbarkeit als auch die Reibung wird mit einer geeigneten Beschichtung verbessert. Aufgrund der hohen Belastungen im Zahnkontakt von Leistungsgetrieben sind die Anforderungen an Haftfestigkeit und Verschleißfestigkeit einer Beschichtung jedoch außerordentlich hoch. Mit diamantartigen Kohlenstoffschichten (Diamond-like carbon - DLC), insbesondere der Variante ta-C mit einer Mindest-Eindringhärte von 30 GPa können Verbesserungen erreicht werden.

Das ta-C hat auch den Vorteil, dass es bei deutlich niedrigeren Temperaturen, und damit auf Stahl abgeschieden werden kann, ohne dessen Werkstoffeigenschaften thermisch zu beeinflussen. Mit den Voraussetzungen einer superharten Kohlenstoffschicht, die durch geeignete Maßnahmen, insbesondere einer konturangepassten Haftschichttechnologie mit großer Dicke abgeschieden werden können, ist die Machbarkeit einer lebensdauerstabilen Zahnradbeschichtung für Fahrantriebe gegeben.

Weiterhin ist zu bemerken, dass es meist ausreichend ist, einen Verzahnungspartner, also Rad oder Gegenrad zu beschichten, um die Wirkungsgradsteigerung zu erreichen. Dabei werden im ungeschmierten Zustand an Luft Gleitreibungszahlen von 0,10 - 0,15 erreicht. Die Ausbildung der ta-C-Beschichtung kann mit einem beliebigen Gleichstrom- Vakuumbogenverfahren oder gepulsten Vakuumbogenverfahren durchgeführt werden.

Bei der Ausbildung der ta-C-Beschichtung kann besonders vorteilhaft ein Plasma mittels gepulst betriebener Laserstrahlung sequentiell gezündeter elektrischer Bogenentladungen unter Vakuumbedingungen genutzt werden, bei dem die elektrische Bogenentladung zwischen einer Anode und einer als Kathode aus Graphit betrieben wird. Aus diesem Plasma wird eine Schicht, die aus zumindest annähernd wasserstofffreiem, tetraedisch amorphem (ta-C), bestehend aus einer Mischung von sp ² und sp ³ hybridisiertem Kohlenstoff gebildet, die auf einer Oberfläche der nach der Umformung erhaltenen Verzahnung abgeschieden wird.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft die ta-C-Beschichtung mit einem Vakuum bogen verfahren mit integrierter Plasmafilterung durchzuführen, wobei das Filter eine zumindest teilweise Abtrennung/Separation von aus der Graphitkathode emittierten Partikeln aus dem Plasma bewirkt und die entstehenden ta- C-Schichten daher weniger Defekte enthält.

Zur Verringerung der Eigenspannungen und zur Verbesserung der Belastbarkeit kann die Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem wasserstofffreiem Kohlenstoff (ta-C) mit einem variierenden sp3-Anteil zwischen 20 % und 80 % ausgebildet werden, wobei der sp3-Anteil über die Schichtdicke kontinuierlich oder alternierend verändert ist.

Die Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem wasserstofffreiem Kohlenstoff (ta-C) sollte mit einer Eindringhärte > 30 GPa ausgebildet werden.

Anstelle einer reinen ta-C-Schicht kann auch eine dotierte ta-C:X Schicht eingesetzt werden, wobei das Dotierungselement X aus einem oder mehreren der Elemente B, Si, W, Mo, Fe, Cu, N, Ti und Cr ausgewählt werden kann und mit einem Anteil von in Summe 0,1 at% bis 10 at% in der Schicht enthalten sein kann.

Nach dem Verzahnungswalzen im weichen Zustand kann ein weiterer Walzprozess das sogenannte Fein- bzw. Festwalzen erfolgen. Dabei sollte die Mikrogeometrie und ggf. die Härteverzüge in das Umformwerkzeug als ab- wälzkinematischer Negativ-Abdruck eingebracht worden sein. Alternativ kann nach einem Härten auch ein Glattwalzen erfolgen, um die für den Beschichtungsprozess notwendige Oberflächenstruktur zu realisieren. Für Einsatzbereiche, die nicht zum Hochleistungsbereich zählen, kann auf Einsatzhärten gänzlich verzichtet werden bzw. alternativ bspw. ein Nitrieren, bevorzugt Plasmanitrieren zum Einsatz kommen, das die vorteilhafte anisotrope Mate- rialeigenschaften aus dem Walzprozess konserviert.

Beim umformenden Verzahnungswalzen werden zuerst Werkstück und Umformwerkzeuge zueinander positioniert bis die konturierte Oberfläche der Umformwerkzeuge mit der Oberfläche des Werkstücks, an der die Verzahnung ausgebildet wird, in berührenden Kontakt gelangt. Dann beginnt die Anwalzphase bei der die konturierten Oberflächen der Umformwerkzeuge in Richtung der Oberfläche des Werkstücks an der die Verzahnung ausgebildet werden soll, bewegt werden. Dazu wirken jeweils gleiche Druckkräfte in Richtung der umzuformenden Oberfläche des Werkstücks auf die Umformwerkzeuge. Dabei beginnt die gleichzeitige Drehung von Umformwerkzeugen und Werkstück mit jeweils dergleichen Drehzahl und Umfangsgeschwindigkeit.

Beispielsweise kann dabei eine Drehzahl im Bereich 40 U/min bis 50 U/min, bevorzugt von ca. 45 U/min und eine Vorschubgeschwindigkeit 0,005 mm/s bis 0,1 mm/s, bevorzugt 0,07 mm/s eingehalten werden. Nach 5 Umdrehungen (Überrollungen) des Werkstücks sollte eine Drehrichtungsumkehr durchgeführt werden.

Ebenfalls nach diesen ersten 5 Umdrehungen beginnt der Vorgang des Eindringens bei dem die Drehzahl des Werkstücks in den Bereich von 80 U/min bis 95 U/min und die Vorschubgeschwindigkeit in den Bereich 0,1 mm/s bis 0,2 mm/s, bevorzugt 0,07 mm/s erhöht werden kann, bis insgesamt 13 Umdrehungen des Werkstücks erfolgt sind. Nach insgesamt 9 Umdrehungen des Werkstücks erfolgt dann wieder eine Drehrichtungsumkehr.

Ab der insgesamt 13. Umdrehung des Werkstücks kann die Vorschubgeschwindigkeit um 0,04 mm/s verringert und die Drehrichtung wieder umgekehrt werden. Diese wird bis zur insgesamt 17. Umdrehung des Werkstücks beibehalten. Nach der 17. Umdrehung kann wieder eine erneute Drehrichtungsumkehr erfolgen. Die Drehrichtung wird dabei bis zur insgesamt 25. Umdrehung beibehalten und ab der 25. wieder umgekehrt. Dabei kann auch die Vorschubgeschwindigkeit um 0,02 mm/s reduziert werden.

Ab der 28. Umdrehung kann die Vorschubgeschwindigkeit auf 0 mm/s reduziert werden, so dass die Umformwerkzeuge nicht weiter in Richtung der Oberfläche des Werkstücks bewegt werden, aber bis zur insgesamt 34. Umdrehung des Werkstücks weiter gedreht und bei der 28. Umdrehung die Drehrichtung wieder umgekehrt werden kann.

Die Umformwerkzeuge können dabei beispielsweise mit einer Kraft von jeweils 250 kN bis 350 kN, insbesondere 300 kN oder einem Kraftäquivalent bei dem an der Oberfläche des Werkstücks an der die Verzahnung ausgebildet wird, ein Drehmoment im Bereich 1200 Nm bis 1750 Nm, insbesondere 1500 Nm mittels der Umformwerkzeuge wirkt.

Die hier genannten Parameter kann man bei einem Werkstoff aus Einsatz- und Vergütungsstahl im normalisierten oder weichgeglühten Zustand für ein Werkstück und bei Außendurchmessern von Zahnrädern bis zu 240 mm wählen.

So kann z.B. bei Werkstücken aus Einsatzstahl (z.B. 16MnCr5, 20MnCr5, 18CrNiMo7-6),oder Vergütungsstahl (z.B. C35, C45, 42CrMo4) vorgegangen werden.

Mit der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:

• Gute Walzbarkeit durch geringe Zahnhöhe und damit verbunden eine sehr gute Verzahnungsqualität

• Das Verzahnungswalzen erhöht die Festigkeit und beeinflusst die Zahnsteifigkeit, was sich vorteilhaft auf die Drehwegabweichung auswirkt, die letztlich für die Getriebeakustik ausschlaggebend ist. Grund dafür sind Materialfließprozesse durch den Walzprozess. • Das Verzahnungswalzen erzeugt pressblanke und riefenfreie

Oberflächen, die sich besonders haftfest beschichten lassen.

• Die mit der Erfindung erhaltene Verzahnung vermindert die

Kontur-bedingten Probleme bei der Zahnradbeschichtung im PVD-Plasmaprozess und ermöglicht sehr haftfeste und harte ta-C-Beschichtungen auch im Bereich nahe am Zahnfußie Möglichkeit zum Trockenlaufeinsatz bei fast identischem Wirkungsgrad und Laufleistung im Vergleich zu herkömmlichen ölgeschmierten Getrieben. Möchte man diesen Wirkungsgrad weiter ver- bessern, so kann dies idealerweise mit Wasser als Schmiermittel geschehen. Aufgrund der tribochemischen Wechselwirkung auf der polaren ta-C-Oberfläche hat Wasser vergleichbar gute Schmiereigenschaften wie Öl, so dass gänzlich auf Öl als Schmierstoff verzichtet werden kann.