Optimierte Bearbeitungsstrategien zur Zahnrad-Hartfeinbearbeitung

Moderne Fahrzeuggetriebe setzen auch eine entsprechend hohe Qualität der Zahnräder voraus. Die dazu notwendige Bearbeitungsstrategie der Hartfeinbearbeitung von Getriebezahnrädern zur Optimierung des...

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Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

JUNG Hebe- und Transporttechnik GmbH

Würth Industrie Service GmbH & Co. KG

Moderne Fahrzeuggetriebe setzen auch eine entsprechend hohe Qualität der Zahnräder voraus. Die dazu notwendige Bearbeitungsstrategie der Hartfeinbearbeitung von Getriebezahnrädern zur Optimierung des Geräuschverhaltens lässt sich entweder rechnerisch oder durch Versuche in der Großserienfertigung relativ einfach und sicher ermitteln.Leistungsgetriebe dienen in Fahrzeugen zur Umformung der Größe und Richtung von Drehbewegung und Drehmoment in mehreren Stufen. Neben diesen primären Forderungen an die Getriebe sind weitere Faktoren entscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit der Produkte. Für den Konstrukteur stellen sich die Anforderungen, bei kleinem Bauvolumen einen möglichst großen Leistungsdurchsatz bei ausreichender Lebensdauer zu erzielen. Des Weiteren wird gefordert, eine genaue Bewegungsübertragung im vorgegebenen Lastbereich bei minimaler Schwingungsanregung und Geräuschabstrahlung zu gewährleisten, denn die Fahrzeuggetriebehersteller sind durch die Wünsche der Kunden nach geringeren Geräuschemissionen und durch eine immer restriktivere Gesetzgebung zum Schutz der Umwelt gezwungen, das Geräuschverhalten ihrer Produkte stetig zu verbessern.Das entstehende Geräusch wird durch die Anregung, durch die Schalleitung und durch die Schallabstrahlung bestimmt. Die aus konstruktiver Sicht beste Geräuschminderungsmaßnahme ist die Reduzierung der anregenden Kräfte im Zahneingriff als wesentliche Anregungsquelle. Geräuschminderungsmaßnahmen sollten zuerst an der Ursache angreifen.Über den Zusammenhang zwischen der Zahnflankentopografie und der Anregung sind grundlegende Kenntnisse vorhanden. Aus den bereits durchgeführten theoretischen und experimentellen Einzeluntersuchungen geht hervor, dass die Geräuschanregung in erster Linie von dem Steifigkeitsverhalten, dem Eintrittsstoß und dem Drehabweichungsverlauf der Verzahnung bestimmt wird. Die genannten Einflussgrößen werden im Wesentlichen durch die im Zahneingriff vorliegende Geometrie bestimmt. Dabei ist die Zahnkontaktgeometrie neben last- und montagebedingten Abweichungen des Welle-Lager-Systems durch Flankenmodifikationen und aus dem Herstellprozess resultierenden Verzahnungsabweichungen gekennzeichnet.Sichere Prozessführung minimiert AbweichungenInnerhalb der Zahnrad-Hartfeinbearbeitung ist es möglich, die aus dem Herstellprozess resultierenden, ungewünschten Verzahnungsabweichungen zu minimieren. Durch eine sichere Prozessführung bei hoher Fertigungsqualität wird ein ausreichendes Geräuschverhalten der Fahrzeuggetriebe sichergestellt. Um jedoch weitere Verbesserungspotentiale ausschöpfen zu können, ist gerade in der Großserienfertigung ein Verständnis für die Einflüsse einzelner Abweichungsgrößen auf das resultierende Geräuschverhalten notwendig. Nur auf diese Weise gelingt es, Kosteneinsparpotenziale auszuschöpfen und Qualitätsverbesserungen zu realisieren. Das optimierte Fertigungsverfahren hat zum Ziel, sowohl das Geräuschverhalten von Fahrzeuggetrieben zu verbessern als auch einen verlängerten Einsatz der Verzahnungswerkzeuge zu gewährleisten.Seit einigen Jahren ist bekannt, dass je nach Vorzeichen die Kombination einer Flankenlinienwinkelabweichung und einer Profilwinkelabweichung sowohl günstig als auch ungünstig für das Laufverhalten einer Zahnradpaarung sein kann. In Bild 1 ist gezeigt, dass sich für die Flankenlinien- und Profilwinkelabweichungen im Eingriffsfeld der Verzahnung vier Kombinationsmöglichkeiten ergeben. Dabei sind die Drehfehlerverläufe 2 und 4 mit einer Sprungstelle bei der Übergabe von einem zum nächsten Zahneingriff beim Durchwälzen der Zahnradpaarung als besonders kritisch anzusehen. Obwohl die gezeigten Drehfehlerverläufe lastfrei ermittelt worden sind und dabei weitere Korrektur- oder Abweichungsgrößen der Verzahnung vernachlässigt werden, konnte der im Vorhergehenden gezeigte Zusammenhang in Prüfstandsuntersuchungen experimentell bestätigt werden. Auch bei Einsatz von Zahnradberechnungswerkzeugen, die neben der Zahnkontaktgeometrie auch das Steifigkeitsverhalten der Zahnradpaarung berücksichtigen, bestätigt sich, dass es im Toleranzfeld der Zahnradpaarung mit Blick auf das resultierende Geräuschverhalten kritische und unkritische Kombinationen für die Flankenlinien- und Profilwinkelabweichung gibt. Bild 2 zeigt aufgetragen über Profil- und Flankenlinienwinkelabweichungen entsprechende Höhenlinien für den Anregungspegel der hier betrachteten Verzahnung, die mit Hilfe der genannten Berechnungswerkzeuge ermittelt worden sind.Toleranzfeldverschiebung reduziert AnregungspegelAusgehend von den in Bild 1 gezeigten Drehfehlerverläufen und unter Nutzung der Berechnungsergebnisse für den Anregungspegel in Bild 2 ist aus der Literatur [4] die Idee bekannt, kritische Kombinationen von Profil- und Flankenlinienwinkelabweichung durch eine gezielte Verschiebung eines orthogonalen Toleranzfeldes aus der Mitte des Höhenliniendiagramms zu vermeiden. Aufgrund der Toleranzfeldverschiebung ergibt sich in der Großserienfertigung ein über die Produktionsumfänge optimiertes Geräuschverhalten der Fahrzeuggetriebe, weil sich die Zahnradpaarungen auf einem niedrigeren Niveau des Anregungspegels befinden und kritische Abweichungskombinationen statistisch betrachtet weniger häufig auftreten können.Durch die im Vorhergehenden erläuterte Bearbeitungsstrategie zur statistischen Toleranzfeldverschiebung ist innerhalb der Zahnrad-Hartfeinbearbeitung ein erster Schritt zur Optimierung des Geräuschverhaltens von Fahrzeuggetrieben aufgezeigt. Jedoch entstehen bei der Hartfeinbearbeitung von Laufverzahnungen mit zunehmendem Verschleiß oder infolge veränderter Eingriffsbedingungen über dem Abrichtbereich des Verzahnungswerkzeuges an der erzeugten Verzahnung insbesondere Profiwinkelabweichungen [7]. Obwohl das Werkzeug noch eine ausreichende Schärfe aufweisen kann, wird der entstehende Profilwinkelfehler an der erzeugten Verzahnung das Kriterium für das Standzeitende des eingesetzten Verzahnungswerkzeuges. Die in Bild 4 dargestellten Ergebnisse bestätigen experimentell diese aus der Literatur [7] bekannten Zusammenhänge am Beispiel des Coronierverfahrens für die Bearbeitung eines Schaltrades unter gekreuzten Achsen mit einem galvanisch belegten, innen verzahnten Werkzeug. Die angesprochene Problematik wird im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit am Beispiel einer Bearbeitungsstrategie für das Coronieren [3] von Laufverzahnungen erläutert.Der sich einstellende Verschleiß des Coronierwerkzeuges in Richtung des Profilwinkels wird über der Nummer des erzeugten Werkstückes nachgewiesen. Über der Standzeit des Coronierringes verändert sich systematisch der Profilwinkel um Dfha = 8 µm. Wird zudem über der Anzahl gefertigter Werkstücke die Veränderung des Flankenlinienwinkelfehlers bei gleichem Werkzeug aufgetragen, so zeigt sich, dass in Zahnbreitenrichtung für die Geometrie des Zahnrades kein signifikanter Einfluss des Werkzeugverschleißes nachzuweisen ist (Bild 5).Wie aufgrund der zu Beginn dargestellten Berechnungsergebnisse für den Anregungspegel der Zahnradpaarung zu erwarten, verändert sich über der Standzeit des Werkzeuges neben dem Profilwinkel des Zahnrades auch das Geräuschverhalten des Fahrzeuggetriebes (Bild 6).Lage von Werkzeug und Werkstück optimierenMit der Nummer des bearbeiteten Schaltrades verändert sich der Körperschallpegel des Fahrzeuggetriebes am End-of-line-Prüfstand um insgesamt 8 dB. Dieser signifikante Anstieg des Körperschallpegels bewirkt eine Verschlechterung der Getriebegeräuschbeurteilung um zwei Bewertungsnoten. Entsprechend verringert sich gleichzeitig der Abstand zur Bewertungsgrenze, und die Prozesssicherheit innerhalb der Großserienfertigung verringert sich.Der sich aufgrund der Profilwinkelveränderung über der Standzeit des Werkzeuges einstellende Anstieg im Körperschallpegel lässt sich vermeiden, wenn das Toleranzfeld bestehend aus der Flankenlinien- und Profilwinkelabweichung dynamisch durch Veränderung der Lage von Verzahnungswerkzeug zu Werkstück so über die Standzeit des ohne Beschränkung der Allgemeinheit hier untersuchten Coronierringes verschoben wird, dass kritische Kombinationen von Profilwinkel- und Flankenlinienabweichung vermieden werden (Bild 7) [8].Durch das beschriebene Vorgehen lassen sich die Auswirkungen des Werkzeugverschleißes auf das Geräuschverhalten vermeiden. Darüber hinaus wird es möglich, eine Standzeitverlängerung des Werkzeuges und damit eine Kosteneinsparung zu realisieren. Die aufgezeigten Optimierungspotentiale lassen sich experimentell nachweisen und gerade in der Großserienfertigung mit Hilfe moderner NC- Maschinen zur Zahnrad-Hartfeinbearbeitung relativ einfach in der Praxis umsetzen.Bild 8 zeigt links oben das ermittelte Höhenliniendiagramm für den Körperschallpegel des Fahrzeuggetriebes über Flankenlinien- und Profilwinkelabweichung. Für die Versuche sind in eine große Anzahl von Fahrzeuggetrieben gezielt geometrisch bekannte Zahnräder gepaart verbaut worden, um für das betrachtete Werkstück über der Standzeit des Werkzeuges das resultierende Geräuschverhalten nachzuweisen. Es ergeben sich Höhenlinien für den Körperschallpegel, mit denen es möglich wird, trotz systematischer Profilwinkelveränderungen über der Werkzeugstandzeit durch Nachführen der Flankenlinienwinkelabweichung ein konstantes Geräuschniveau und eine Standzeitverlängerung des Werkzeuges zu ermöglichen.Bild 8 belegt innerhalb der durchgeführten Versuche die Auswirkungen dieses Vorgehens. Dadurch, dass neben der systematischen Profilveränderung der Flankenlinienwinkel modifiziert wird, verbleibt der Körperschallpegel auf einem Höhenniveau. Statt den Berg hinaufzulaufen, wird dieser umgangen, indem versucht wird, innerhalb des Toleranzfeldes einen Weg mit konstantem Höhenniveau zu verwenden.Die dazu notwendige Bearbeitungsstrategie innerhalb der Zahnrad-Hartfeinbearbeitung zur Optimierung des Geräuschverhaltens von Leistungsgetrieben lässt sich entweder rechnerisch oder durch Versuche in der Großserienfertigung relativ einfach und sicher ermitteln. Die Folge dieser dynamischen Toleranzfeldverschiebung ist ein verbessertes Geräuschverhalten der Fahrzeuggetriebe innerhalb der Serie, eine Erhöhung der statistischen Prozesssicherheit und eine Senkung der Werkzeugkosten durch Verlängerung der Werkzeugstandzeit. Dabei beschränkt sich dieses Vorgehen nicht nur auf das Coronierverfahren mit galvanisch belegten, innenverzahnten Werkzeugen. Die erläuterte Strategie kann eingesetzt werden bei allen Zahnradbearbeitungsverfahren, bei denen über dem Abrichtbereich des Werkzeuges oder für das Abrichtwerkzeug selbst systematische Profilveränderungen zu ermitteln sind.Literatur:[1]Beulker, K.: Ermittlung der realen Verzahnungsgeometrie von Stirn- und Kegelradgetrieben durch Simulation der Herstellverfahren. Dissertation RWTH Aachen 1998.[2]Weck, M., und K. Beulker: Simulation der Zahnrad-Hartfeinbearbeitung als Werkzeug im Konstruktionsprozess. 37. Arbeitstagung ,,Zahnrad- und Getriebeuntersuchungen". 22. und 23. Mai 1996, WZL der RWTH Aachen 1996.[3]N. N.: Fertigungsprogramm Verzahnungsbearbeitung. Coburg: Kapp GmbH 2000.[4]Wittke, W.: Beanspruchungsgerechte und geräuschoptimierte Stirnradgetriebe, Dissertation RWTH Aachen 1994.[5]Weck, M., J. Becker, und H. P. Ehren: Auslegung von Toleranzfeldverschiebungen vorgestellt an einer Beispielverzahnung. 37. Arbeitstagung ,,Zahnrad- und Getriebeuntersuchungen". 22. und 23. Mai 1996, WZL der RWTH Aachen 1996. [6]N. N.: Programmdokumentation des Stirnradberechnungswerkzeuges LVR, Institut für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion. Dresden: Technische Universität 1999.[7]Tönshoff, H.K., und C. Marzenell: Verschleißverhalten galvanisch belegter Diamantwerkzeuge beim Verzahnungshonen. Industrie-Diamanten-Rundschau 2/1999.[8]Volkswagen AG: Verfahren für einen verlängerten Einsatz von Verzahnungswerkzeugen, Patentanmeldung, 2000.