Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kegelzahnrades insbesondere für Ruderpropeller, dessen Zähne eine zahnradspezifische

Makrogeometrie aufweisen, dessen Zähne durch Flanken- und Profillinien beschreibbar sind, dessen Flanken eine Zahnflankenmikrotopogaphie aufweisen und dessen Tragbild den Kontaktbereich der in den Eingriff kommenden Zähne darstellt, wobei die Balligkeit einer Zahnflanke die Überhöhung der

Zahnflankenmitte gegenüber dem Zahnflankenrand entspricht und wobei der Verlauf der Höhen- und Breitenballigkeit der Flankenfläche im wesentlichen kreisbogenförmig.

Kegelzahnräder dienen zum Übertragen von Drehmomenten und

Drehbewegungen in Wälzgetrieben. Der Aufbau eines einstufigen

Kegelzahnradgetriebes besteht aus Tellerrad und Ritzel. Tellerrad und Ritzel sind mit den zugerhörigen Wellen kraft-, form- oder stoffschlüssig verbunden. In Verlängerung der Wellen finden sich Schnittpunkte oder Kreuzungspunkte der Wellenachsen. Der Bewegungsablauf zweier ineinander greifenden

Kegelzahnräder wird als Abwälzen bezeichnet. Dabei kommen die jeweiligen Zahnflanken von Zahn und Gegenzahn in Eingriff. Verzahnungen bei denen die Zahnflanken von Zahn und Gegenzahn kinematisch exakt abwälzen werden als konjugierte Verzahnung bezeichnet. Die Zahnflanken berühren sich hierbei in jeder Wälzstellung auf einer Linie. Um jedoch ein verbessertes Verlagerungsverhalten zu erzielen, weicht man durch das Einbringen von Balligkeiten von dieser Form ab.

Die Zahngeometrie von Kegelzahnrädern weißt somit im Allgemeinen an den Zahnflanken eine Balligkeit auf, da die Zahnflanken bei großer Lastübertragung nicht auf Ihrer gesamten Breite und Höhe in Eingriff kommen dürfen, da die sonst an den Rändern auftretende Spannungsüberhöhung Zahnschäden hervorrufen würde. Unter der Balligkeit einer Zahnflanke wird die Überhöhung der

Zahnflankenmitte gegenüber dem Zahnflankenrand verstanden. Dabei liegen die beiden in Eingriff kommenden Zahnräder nicht vollständig aneinander an.

Zwischen zwei Zahnflanken befindet sich im Besonderen im unbelasteten Zustand ein unterschiedlich großer Luftspalt. Der Abstand zwischen zwei Zahnräder wird auch als Lüftung oder Klaffmaß bezeichnet.

Unterschieden wird hierbei zwischen Höhen- und Breitenballigkeit. Bei der

Breitenballigkeit wird dieser Verlauf durch eine entsprechende Verkleinerung des Flugkreisradius, bzw. des Durchmessers des Schleifwerkzeugs realisiert. Der Verlauf der Höhenballigkeit wird durch die Profilierung des Werkzeugs bestimmt, indem dem Bezugsprofil eine kreisförmige Balligkeit überlagert wird. Andere Formen finden in der Praxis aus wirtschaftlichen Gründen keine Anwendung.

Der Verlauf von Balligkeiten bei Kegelrädern wird üblicherweise durch das

Fertigungsverfahren bestimmt. Insbesondere bei den bekannten Zyklo-Palloid- Kegelräder und den dafür angewandten Methoden der Fertigbearbeitung (HPG- Verfahren / Schleifen) ist der Verlauf der Balligkeiten annähernd kreisbogenförmig.

Die Flächen der Zahnräder, die bei Belastung, d.h. Momentübertragung, in Eingriff kommen, werden als Tragbild bezeichnet. Da grundsätzlich Zahn und Gegenzahn nicht vollständig in Eingriffkommen, ist die Flächengröße eines Tragbildes stets kleiner als die der gesamten Zahnflanke. Die aktuell vorherrschende Form des Tragbildes kann mit Form einer Ellipse angenähert beschrieben werden. Die tatsächlich in Eingriff kommenden Bereiche sowie die durch die entsprechende Rücknahme der Zahnflanken vorherrschenden Abstände zwischen einem Zahn und dem zugehörigen Gegenzahn können durch das sogenannte„Ease-Off" visualisiert werden (Fig. ). Dabei wird der durch die Balligkeiten entstehende Abstand zwischen der Ritzel- und der Tellerradflanke über einer ebenen

Referenzfläche aufgetragen. Diese Fläche erstreckt sich über die gesamte

Flankenbreite und -höhe. In der Ease-Off-Darstellung berührt die Zahnflanke die Referenzfläche in einem Kontaktpunkt (Schnittpunkt der beiden dicken Linien im feinen Gitter).

Zur Beschreibung des Balligkeitsverlaufs einer Zahnflanke wird die dazugehörige Kurve in einem Graphen dargestellt, in dem die Lüftung oder auch Balligkeit C über der Zahnbreite bzw. Zahnhöhe aufgetragen wird. In derartigen Graphen wird vom Kontaktpunkt bis zur Kante der Flanke (Ferse, Zehe, Fuß oder Kopf) der

Zahnflanke die Länge L aufgetragen. Durch eine Normierung ist die Definition für L und C unabhängig von Absolutwerten, so dass die Kurve für alle gängige

Balligkeiten und Zahnbreiten gilt. Am Punkt L ^* (der Länge von der entsprechenden Zahnflankenkante) erreicht die Kurve den Wert der normierten Balligkeit C ^* .

(Fig.2).

Die Länge L* muss dabei jedoch nicht die Hälfte der Zahnbreite, allgemein b, also b/2, bzw. der Zahnhöhe, allgemein h = 2*m, also h/2 betragen, da sich der

Kontaktpunkt nicht genau in der Zahnmitte befinden muss. Er kann auch

exzentrisch auf der Flanke liegen (Fig. 3). Daraus resultiert ein sogenanntes verlagertes Tragbild. Bei einem verlagerten Tragbild verschiebt sich der

Kreisbogen zu einer Kante hin, so dass bei gleichem Radius der Abstand der Flanken am Rand nicht mehr der Balligkeit entspricht (Fig. 4 und 5). Die normierte Balligkeit C* bezieht sich daher auf den tatsächlichen Abstand der korrigierten zur unkorrigierten Flanke am jeweiligen Flankenrand, nicht auf die nominelle Balligkeit. Zur Beschreibung von einer kreisbogenförmigen„normalen" Balligkeit werden zwei Merkmale definiert.

1. Betrag der Fläche unterhalb der Kurve (Fig. 6a)

Beim normalen Balligkeitsverlauf beträgt die Fläche A _B unter der Kurve für gängige Standardballigkeit (b/500..b/1500, bzw. 0,003m ₀ ..0,006m ₀ ) üblicherweise etwa 33,4 % mindestens jedoch 31 % der Gesamtfläche A_Ges = L* x C* .

2. Betrag der Kurve in der Mitte der Länge L ^* (Fig. 6b)

Bei L ^* /2 beträgt der Funktionswert der normalen Balligkeit etwa 25 % von C ^* .

Als limitierender Faktor bei der Momentübertragung gilt die max. zulässige

Flächenpressung. Beim Weichverzahnen ist diese niedrig, so dass die Herstellung der konjugierten Verzahnungen hierbei kostengünstig mittels

Standardfertigungsverfahren erfolgt. Beim Hartverzahnen treten hohe

Flächenpressungen auf. Treten Flächenpressungen auf die über einen zulässigen Grenzwert hinaus gehen, so kommt es zu Zahnschäden. Um eine

Momentübertragung weiter zu steigern und höhere Grenzwerte zu erzielen, werden verschieden Ansätze verfolgt:

• Einsatz von tragfähigere Materialien, im besonderen hoch vergüteten Stählen

• Durchführung von Oberflächenhärtung

• Herstellen von Zahnflanken mit einer hohen Oberflächengüte

Der Einsatz von hoch vergüteten Stählen ist kostenintensiv aufgrund teurer Rohstoffe und hoher Bearbeitungskosten. Die Bearbeitung von hoch vergüteten Stahlprodukten bzw. die Weiterbearbeitung von veredelten Oberflächen in nachfolgenden Fertigungsschritten ist aufgrund der Materialhärte aufwendig und teuer.

Zeitgleich stoßen die Veredelungsverfahren bei den jeweils geforderten zu übertragenden Drehmomenten bezogen auf einen speziellen Bauraum des

Getriebes an Grenzen der materialspezifischen zulässigen Flächenpressungen.

Insbesondere nutzen aktuelle Zahnflankenformen nicht die maximal mögliche Fläche einer Zahnflanke zur Kraftübertragung, da die bisher ausgeprägten elliptischen Tragbilder nicht den möglichen nutzbaren Teilbereich einer Zahnflanke abdecken. Das maximal zulässige Tragbild einer Zahnflanke herzustellen ist aufgrund der bisher eingesetzten Standardfertigungsverfahren nicht möglich.

Schließlich sind Anpassungen der Zahnflankenkontur bisher nur unter dem Aspekt der Geräuschreduzierung analysiert und optimiert worden. Die Optimierungen erfolgten dabei mit Sonderfertigungsmaschinen oder in Einzelteilfertigung.

Aufgabe der Erfindung ist Kegelzahnräder eines Kegelzahnradgetriebes der Eingangs genannten Art so zu verbessern, dass diese eine größeres optimiertes Tragbild aufweisen um ein größeres Drehmoment übertragen zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass durch eine

punktgenaue Materialabtragung die Mikrotopographie der Zahnflanke und somit das Tragbild optimiert wird,

• indem die Materialabtragung derart ausgeführt wird, dass die

Endrücknahme an der Zahnflankenfläche zur Zahnfersenseite und Zahnzehenseite verringert wird, eine Fläche mit größerer Länge und Breite auf der Zahnflanke zum Eingriff kommt und somit ein vergrößertes Tragbild vorliegt, und

• indem der Verlauf der Balligkeit einer Zahnflanke bei der lastfreien

Betrachtung der Lüftung (Ease-Off) bei einem Längsschnitt in der Flankenschnittfläche und/oder bei einem Profilschnitt in der

Profilschnittfläche einer annähernd logarithmischen, elliptischen oder exponentiellen Kurvenform folgt, die durch den Berührpunkt verläuft.

Dies kann durch neue Fertigungsverfahren, vorzugsweise mit Hilfe von Material abtragenden Multiachs-Fertigungsverfahren, insbesondere dem 5-Achs- Fräsverfahren erfolgen. Dabei kann die Form der Balligkeit einer Zahnflanke beliebig modifiziert, und somit optimiert werden. Ziel dabei ist es die tragende Gesamtfläche der Zahnflanke zu vergrößern und gleichzeitig das

Verlagerungsverhalten zu optimieren. Insbesondere beim Hartverzahnen stellt somit die Fertigung eines optimierten punktuellen Balligkeitsverlaufes durch Mehrachsfräsmaschinen ein neues Fertigungsverfahren dar. Die Herstellung von optimierten Balligkeitsverläufen entlang logarithmischer, elliptischer oder exponentieller Kurven bzw. einer Kombination der voranstehend genannten Formen ermöglicht Zahnflanken bei Zahnrädern die bei gleichen geometrischen Grunddaten und gleichen Werkstoffkennwerten größere Leistungen übertragen können.

Die Differenzierung der„neuen" optimierten Balligkeit von der kreisbogenförmigen „normalen" Balligkeit erfolgt durch die Definition folgender zwei Merkmale der Kurve:

1. Betrag der Fläche unterhalb der Kurve (Fig. 8a)

Durch den flacheren Verlauf der Kurve in der Flankenmitte wird bei der optimierten Balligkeit ein Verhältnis Aß/Aoes = 10 bis 30% erreicht.

2. Betrag der Kurve in der Mitte der Länge L* (Fig. 8b)

Für das zweite Merkmal der neuen Balligkeit, dem Funktionswert der Kurve in der Mitte, also bei 50%, des Verlaufs L*, Referenzangaben für C ^* für die obere und untere Grenze. Für die obere Grenze wird der Referenzwerte von 20% des

Flächeninhaltes des von L ^* und C* aufgespannten Gesamtrechteckes definiert. Für die untere Grenze wird der Referenzwert für C ^* von 5% definiert.

Die beiden Grenzlinien werde

Formel der oberen Grenzkurve (Abb. 8a)

Formel der unteren Grenzkurve (Abb. 8a) Durch die obere und untere Grenzlinie wird ein Bereich für die optimierte

Zahnflankenkontur eingeschlossen (Fig. 8a, 8b und 9). In diesem Bereich verlaufen die bevorzugten optimierten Zahnflankenkonturverläufe der Zähne in Abhängigkeit der Kriterien, die die Spannungsverläufe im Zahn und auf der Zahnoberfläche bei Belastung beeinflussen. Die Kriterien richten sich nach vor Allem nach konstruktiven Vorgaben und sind, da die Berücksichtigung bzw.

Auswahl Anwendungsfall spezifisch sind, nicht relevant.

Der Vorteil solcher Zahnflanken von Kegelzahnrädern ist ein maximiertes Potential zur Drehmomentübertragung.

Besonders günstig ist hierbei die verringerte Menge an Material

(Materialabtragung), die an den einzelnen Zähnen nach der Rohbearbeitung abgetragen werden muss.

Von Vorteil ist, dass hierbei gleichmäßigere Belastungen der Zähne entlang der Zahnflanken auftreten. Dies führt zu einer verringerten punktuellen

Spitzenbelastung an kritischen Stellen des Zahnes und vergrößert somit die Lebensdauer.

Von Vorteil ist auch, dass ein vergrößertes Tragbild eine größere Abwälzfläche aufweist. Bei Belastungen wird somit eine geringere Flächenpressung bei gleichbleibender Belastung erreicht, was die Abnutzung der Kontaktfläche verringert. Dies reduziert den Verschleiß und erhöht somit die Standzeit eines Getriebes. Zeitgleich können somit größere Wartungsintervalle eingeplant werden, was nicht nur beim Einsatzbereich von Ruderpropellerantrieben wichtig ist.

Besonders vorteilhaft ist dabei auch, dass die bisher bekannten Verfahren zur Maximierung der Drehmomentübertragungskapazität eines Zahnes in der

Produktion sowie die vorzugsweise genutzte Materialpaarungen mit der hier dargestellten neuen Idee kombinierbar sind.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung Anhand der

Zeichnungen erläutert: Figur 1 zeigt die„Ease-Off'-Darstellung zweier in Eingriff kommender Zahnräder.

Figur 2 zeigt ein normales Tragbild im Bezug zur Zahnradflanke.

Figur 3 stellt ein entlang der Zahnbreite b verlagertes Tragbild dar.

Figur 4 zeigt die Breitenballigkeit entlang einer Zahnbreite.

Figur 5 stellt die Höhenballigkeit entlang der Zahnhöhe dar.

Figur 6a stellt die kreisbogenförmige normale Balligkeit also den Verlauf

gegenüber der Balligkeit C* dar.

Figur 6b stellt bei einer„normalen" kreisbogenförmigen Balligkeit einen

entsprechenden Referenzpunkt dar.

Figur 7a und 7b stellen in einer Ease-off-Darstellung den„normalen"

kreisbogenförmigen Verlauf der Balligkeit den Verlauf der Balligkeit der optimierten Zahnflanke gegenüber.

Figur 8a stellt für die optimierte Balligkeiten die Grenzen und den Bereich für den bevorzugten Verlauf dar.

Figur 8b stellt für die optimierte Balligkeit die Referenzpunkte für die obere und untere Grenzkurve dar.

Figur 9 stellt die verschiedenen Balligkeitsverläufe gegenüber.

Figur 10a stellt ein Kegelzahnrad dar indem das Lasttragbild einer tragenden, mit „normaler" kreisbogenförmiger Balligkeit verlaufenden Fläche mit hohen Pressungen eingezeichnet ist. Figur 10b stellt ein Kegelzahnrad dar, indem die Flankentopographie der

Zahnradflanke optimiert wurde, die somit ein größeres Tragbild aufweist.

Da die nachfolgenden Betrachtungen der Balligkeit, aus erfinderischer Sicht, für Höhen- und Breitenballigkeit gleich sind, wird im Allgemeinen der Begriff Balligkeit verwendet. Wenn erforderlich wird an entsprechender Stelle im Besonderen dann zwischen Breiten- und Höhenballigkeit unterschieden.

Figur 1 zeigt hierbei die„Ease-Off" Darstellung, in der zwei ineinander eingreifende Zahnflanken ohne Last dargestellt werden. Die erste Zahnflanke 1 ist dabei zu einer Ebene verformt. Die zweite Zahnflanke 2 stellt eine somit überhöht gekrümmte Zahnflanke dar. Der Wert für Klaffmaß bzw. Lüftung zwischen zwei auf den beiden gegenüberliegenden Punkten zweier Zahnflanken ist hierdurch erkennbar. Mit Hilfe dieser 3D-Darstellung können die Abstände zwischen den beiden Zahnflanken nachgemessen werden. Die Figur 1 zeigt hierbei

entsprechende Verläufe der Breitenballigkeiten und Höhenballigkeiten entlang eines 3D Rasters. Die Figur 1 zeigt dabei bereits ein verlagertes Tragbild, d.h. der Kontaktpunkt zwischen den beiden Zahnflanken liegt nicht mittig zentriert entlang der Zahnbreite und Zahnhöhe sondern ist hier entlang der Zahnbreite verschoben. Dies ist an den unterschiedlichen Längen b1 und b2 entlang der Zahnbreite erkennbar.

Figur 2 zeigt allgemein einen Verlauf einer Balligkeit 3 entlang der Zahnbreite b sowie den Berührpunkt 4 eines beispielhaften Tragbildes mit einer exemplarischen Referenzfläche. Dieser Verlauf ist ein beispielhafte Ausschnitt aus einer 3D„Ease- Off-Darstellung. Der Berührpunkt liegt in L ^* , welches die Mitte der

Zahnflankenbreite b/2 ist. C stellt dabei das Klaffmaß oder auch die Lüftung dar.

Die Figur 3 zeigt analog zu Figur 2 Verlauf der Balligkeit 5, hier jedoch mit einem verlagerten Tragbild, das entlang der Zahnbreite b versetzt ist. Die Lage des Kontaktpunktes oder auch Berührpunktes 6 der ebenen Zahnflanke und der gegenüberliegenden Zahnflanke wird durch die Größen L*i und L ^* ₂ angegeben. An der linken Stirnseite des Zahnrades besteht aufgrund des verlagerten Tragbildes eine größere Lüftung C*i, wobei an der rechten Seite des Zahnrades eine kleinere Lüftung C* ₂ zu finden ist.

Figur 4 veranschaulicht im Speziellen anhand eines 2D-Auschnitts aus der 3D- „Ease-Off-Darstellung von Figur 1 die Breitenballigkeit entlang der Zahnbreite b mit einem verlagerten Tragbild einer Zahnflanke. Die Lüftung C*i ist im Vergleich zur Lüftung C* ₂ doppelt so groß.

Figur 5 zeigt die Höhenballigkeit einer Zahnflanke mit den jeweiligen Lüftungen C* ₃ und C . Die Höhenballigkeit ist hierbei symmetrisch (erkennbar an identisch großen Längen von h1 und h2). Es können jedoch auch unsymmetrische

Höhenballigkeiten konstruiert werden.

Die Figur 6a beschreibt den Verlauf der Zahnflankenballigkeit für„normale" kreisbogenförmige Balligkeiten, die auch als Standard-Balligkeiten bezeichnet werden. Hierbei spannen Abszisse und Ordinate ein Rechteck mit der Fläche Aces 7 auf. Bei Standard-Balligkeiten gilt im Allgemeinen, dass die Fläche A _B 8a bezogen auf Aces 7 größer 31 % ist. Die Restfläche 8b, oberhalb der Kurve der kreisbogenförmigen Standard-Balligkeiten, stellt den überhöht dargestellten Zahn der EASE-Off-Darstellung dar. Die schraffierte Fläche 8a unterhalb der unteren Grenzkurve 9 für die kreisbogenförmige Standard-Balligkeit zeigt die Fläche, die bei der Zahnradfertigung z.B. spanend entfernt wird. Hierbei liegen für diese „normalen" kreisbogenförmigen Balligkeitsverläufen die Breitenballigkeiten im Wertebereich von b/500 bis b/1500 und die Höhenballigkeiten im Wertebereich von 0,003m ₀ bis 0,006m ₀ . Die Kurve, die mit A _B durch A _Ges gleich 33,4%-Flächeninhalt angegeben ist, zeigt eine der möglichen kreisförmigen Standardkurven, die bisher häufig zum Einsatz kommen.

Figur 6b zeigt bei einem„normalen" kreisbogenförmigen Balligkeitsverlauf den entsprechenden prozentualen Referenzpunkt für C ^* = 25% beim Längenverlauf L ^* = 50%.

Die Figur 7a stellt die 3D„Ease-Off-Betrachtung für eine kreisbogenförmige Balligkeit dar. Figur 7b wird Figur 7a gegenübergestellt und stellt die 3D„Ease-Off'-Betrachtung des neuen optimierten Tragbildes dar. Die unterschiedlich großen Lüftungen zwischen der zu einer Ebene verformten Zahnflanke 1 und der überhöht gekrümmten Zahnflanke 2 sind hierbei erkennbar. Aus der Gegenüberstellung ist ebenfalls ersichtlich, dass bei der optimierten Zahnflankenform weniger Material abgetragen werden muss.

Die Figur 8a beschreibt die Verläufe von oberer Grenze 11 und unterer Grenze 12 für die Verläufe eines optimierten vergrößerten Tragbildes. Diese Grenzen schließen den Bereich ein, in dem die bevorzugten Verläufe eines optimierten Tragbildes definiert werden. Deutlich zu sehen ist, dass die obere Grenze der optimierten Tragbilder deutlich unter der Grenzkurve 13 verläuft, die die untere Grenze der„normalen" kreisbogenförmigen Standard-Balligkeit begrenzt.

Figur 8b beschreibt mit Hilfe der Prozentangaben Referenzpunkte der

Balligkeitsverläufe entlang der Zahnflankenbreite und stellt hierbei die untere Grenzkurve 3 für„normale" kreisbogenförmige Balligkeiten dem Bereich 14 für optimierte Balligkeiten gegenüber. Die Referenzpunkte liegen bei 50% der Verlaufes entlang der Zahnbreite L* für die obere Grenzkurve bei 20% und für die untere Grenzkurve bei 5%.

Figur 9 stellt die verschiedenen bisher betrachteten Kurven gegenüber.

Diese sind:

• die„normale" kreisbogenförmige Standard-Balligkeit 13 welche im

Allgemeinen A _B /Age _S > 31 % ist

• die obere Grenze 12 der optimierten Balligkeit

• die untere Grenze 11 der optimierten Balligkeit

• eine zwischen oberer und unterer Grenze für optimierte Balligkeiten liegende bevorzugte Korrekturkurve 15 für den Zahnflankenverlauf eines speziellen Zahnrades.

Unterhalb der bevorzugten Korrekturkurve wird durch Schraffur eine Fläche 16 hervorgehoben. Diese Fläche stell den Bereich dar, der mit Hilfe der zur

Anwendung kommenden Fertigungsverfahren abgetragen, z.B. abgefräst werden muss. Deutlich erkennbar im Vergleich mit der Standardballigkeit ist , dass bei der optimierten Zahnflankenform ausgehend vom Rohling des Kegelzahnrades deutlich weniger Material entfernt werden muss, als bei der kreisförmigen

Standardballigkeit.

Figur 0a stellt ein Kegelzahnrad 17 als Ganzes dar, welches Zahnflanken mit typisch kreisbogenförmiger Balligkeiten aufweist. Hier ersichtlich ist die tragende Fläche 18, in der Graphik weiter ausgeführt mit einer kleinen tragenden Fläche mit hoher Pressung, wie sie bei dem Einsatz von hoch vergüteten Zahnrädern zu finden sind. Die elliptische Ausprägung dieser Fläche ist deutlich.

Figur 10b stellt ein Zahnrad 19 mit veränderter Flankentopographie dar. Dieses hat aufgrund des optimierten vergrößerten Tragbildes eine veränderte Kontaktfläche 20. Diese Kontaktfläche lässt sich mit einem Rechteck beschreiben, welches abgerundete Ecken hat.