大型變速齒輪和制造大型變速齒輪的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種大型變速齒輪，其由多個彼此焊接在一起的單一部件制成，以及 涉及一種制造這樣的大型變速齒輪的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知的是，大型變速齒輪、也就是具有直徑超過600mm的齒輪被作為單體齒輪來 制造。
[0003] 大型齒輪的單體構(gòu)造的缺點在于，其在材料要求和制造重量方面是非常不利的。 作為重量問題的解決方案已知的是，大型齒輪卷邊（eingesickt)地設(shè)計。為此，在車削加 工輪側(cè)面的范疇中去除材料。然而由此帶來制造成本的升高，因為為了進(jìn)行卷邊而需要另 外的切削加工功率并且去除的材料引起原材料購入方面的費用。
[0004] 在表面硬化時出現(xiàn)另外的問題。在該過程中，在部件中引入大量能量，這在淬火工 藝中會導(dǎo)致嚴(yán)重的部件扭曲。該部件扭曲必須在之前通過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)措施以及在之后通過 相應(yīng)的材料削減來補償。因為材料削減必須在部件的已硬化狀態(tài)中實現(xiàn)，這又導(dǎo)致巨大的 成本并且相應(yīng)地是不經(jīng)濟的。一方面作為結(jié)構(gòu)性對策已知的是，部件被設(shè)計成具有相應(yīng)的 加工余量，從而能實現(xiàn)在后續(xù)將材料削減到額定尺寸。另一方面，為了更佳的硬度或者為了 改善淬火過程，在部件中引入鉆孔，其應(yīng)該確保部件由淬火介質(zhì)均勻地沖洗，以在冷卻期間 實現(xiàn)部件的較好的溫度特性以及最小化的扭曲。
[0005] 盡管存在這些昂貴和復(fù)雜的對策，然而在實踐中在狹窄的區(qū)域中非常難和受控地 限制部件扭曲。結(jié)果，以之前描述的方式制造的單體設(shè)計的大型齒輪是在材料成本和制造 成本上的妥協(xié)方案并且在總體上僅僅在一定程度上是經(jīng)濟的。
[0006] 作為單體的齒輪的替代方案，而公開了混合型齒輪，其由多個組件組成，也就是至 少由轂、設(shè)置在轂上的輪體和設(shè)置在輪體的外周上的齒環(huán)。在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)已知了這 樣的混合型大型變速齒輪的不同的設(shè)計方案，其首先通過類型進(jìn)行區(qū)分，如單一部件彼此 固定，以及通過單一部件的設(shè)計來區(qū)分。關(guān)于混合型大型齒輪制造的現(xiàn)有技術(shù)的概況例如 在教科書RolofT Matek，機器部件和Niemann Winter H0hn，機器部件或者專利文件如DE 911 500 B，DE 917 589 B 和 DE 82 05 946 Ul 中給出。
[0007] 單一部件之間彼此的固定可以機械地實現(xiàn)。因此，齒環(huán)例如能夠與輪體螺栓連接。 可替換的是，將齒環(huán)熱壓套裝在輪體上也是已知的，其中齒環(huán)相對于輪體通常通過相應(yīng)的 形狀配合鎖定來防止相對運動。
[0008] 可替換的是，單一部件也能夠材料配合地通過焊接來彼此連接，為此現(xiàn)在僅僅使 用具有能融化的電極的焊接工藝。焊接的齒輪必須除了齒輪安全之外還要附加地相關(guān)于其 切割位置特性來設(shè)計。對接切割點由以下部件組合構(gòu)成，即齒環(huán)和輪體（所謂的輪緣）、爐 體和轂以及轂和軸。該對接位置必須在設(shè)計計算和制造規(guī)劃中一同進(jìn)行考慮。此外，還要 考慮其制造技術(shù)上的成本和其對部件功能的反作用。
[0009] 輪體可以是單體制造的，例如作為鑄件。同樣輪體也可以作為焊接結(jié)構(gòu)來制造。焊 接的輪體尤其在大型變速箱建造中應(yīng)用1至5件部件，因為其經(jīng)常呈現(xiàn)出用于經(jīng)濟地制造 的唯一可能性。
[0010] 用于混合型大型變速齒輪的已知的制造流程例如為：提供毛坯件、預(yù)車外圓加工、 焊接、切齒、也許還有感應(yīng)硬化、切齒磨削以及接下來的質(zhì)量保證。
[0011] 在混合型大型變速齒輪中出現(xiàn)的焊接工序無例外地通過MSG焊接（MSG =金屬保 護(hù)氣焊接）、電子焊接或者埋弧焊接來實施。所有的這些都是具有融化的電極和相對高的區(qū) 段能量（Streckenenergie)的方法，以及因此對連接和基礎(chǔ)材料的冶金方面的特性有較強 的影響。焊接工藝本身在鋼結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。因此，當(dāng)今對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而 言通常在聯(lián)系到用于消除應(yīng)力的焊接工作時實施去應(yīng)力退火，從而阻止另外的制造步驟也 許以變形的方式釋放該應(yīng)力，例如在車削卷邊時，在非對稱地降低壁厚時或者類似情況。該 伴隨制造出現(xiàn)的變形是已知的，并且導(dǎo)致防棄焊接的結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，僅僅在執(zhí)行了去應(yīng)力退 火之后才能實施對焊接的大型變速齒輪的高精度測量工作。
[0012] 焊接組件的淬火通過感應(yīng)淬火實現(xiàn)。該方法的優(yōu)點在于，僅僅局部地在組件中引 入相對少的熱能，由此阻止了嚴(yán)重的部件扭曲。
[0013] 在混合型大型變速齒輪的情況中，如在單體設(shè)計的大型變速齒輪中應(yīng)用的焊接組 件的表面硬化由于高的、通過焊接工藝由融化的電極引入的內(nèi)應(yīng)力而不能使用。在大型變 速齒輪的情況中，以齒輪的相對大的尺寸尤其是較大的直徑為先決條件的、相對較小的組 件扭曲相對于小型齒輪的情況就已經(jīng)導(dǎo)致巨大的形狀偏差。由于焊接內(nèi)應(yīng)力和淬火變形引 起的扭曲可能累積如此之大，即也許需要在組件的淬火狀態(tài)中進(jìn)行復(fù)雜的機械后續(xù)加工。 然而這是不希望的，因為這會產(chǎn)生巨大的成本。相應(yīng)地，齒環(huán)在已知的大型變速齒輪中一直 由調(diào)質(zhì)鋼制成。
[0014] 當(dāng)今獲得的混合型大型變速齒輪相對于單體設(shè)計的大型變速齒輪的缺點在于，其 僅僅能應(yīng)用于價值不高的單位表面負(fù)荷，因為調(diào)質(zhì)的齒環(huán)相對于表面硬化的齒輪具有更小 的承載能力。在混合型大型變速齒輪的情況中，齒面強度在大約600-800N/mm 2的范圍中， 而單體設(shè)計的和表面硬化的大型變速齒輪具有大約1500N/mm2的齒面強度，在碳化的情況 中直至1700N/mm 2。另外的缺點在于，上述的焊接工藝具有較強的手動操作特征，因此其僅 僅能在小批量生產(chǎn)中經(jīng)濟地應(yīng)用。當(dāng)今，在批量生產(chǎn)期間的過程數(shù)據(jù)檢測在此不是現(xiàn)有技 術(shù)并且僅僅能通過后續(xù)的質(zhì)量控制來記錄歸檔。
[0015] 在小型齒輪中，通過組件扭曲產(chǎn)生的偏差與大型變速齒輪相比在尺寸上產(chǎn)生較小 的形狀偏差，因為之前對于混合型大型變速齒輪描述的、由焊接和淬火在組件中引入的扭 曲的問題在此僅僅扮演次要角色，尤其是當(dāng)在此僅僅由于在時間固定的范疇中進(jìn)行應(yīng)用的 原因而要求較低的齒輪質(zhì)量時。這例如出現(xiàn)在機動車和商用車輛的移動變速應(yīng)用的情況 中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 從該現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的目的在于實現(xiàn)一種用于制造大型變速齒輪的經(jīng)濟的 方法和一種變速齒輪，其具有較小的自重并且設(shè)計用于最高的負(fù)載。
[0017] 為了實現(xiàn)該目的，本發(fā)明提出了一種用于制造由多個單一部件構(gòu)成的大型變速齒 輪的方法，該方法包括一系列接下來的步驟：
[0018] a)提供單一部件，該單一部件包括至少一個轂、盤輪以及由表面硬化鋼制成的齒 環(huán)；
[0019] b)至少部分機械地未淬火時加工單一部件；
[0020] C)在使用射束焊接方法的情況下連接單一部件；
[0021] d)使彼此連接的單一部件表面硬化，以及
[0022] e)硬加工至少一個齒環(huán)。
[0023] 本發(fā)明基于以令人驚訝的方式獲得這樣的知識，即利用射束焊接方法和表面硬化 的組合僅僅產(chǎn)生較小的組件扭曲，該扭曲能夠以較小的成本在接下來的硬加工步驟中進(jìn)行 補償，而不必為此保留較大的加工余量。申請人由此出發(fā)，即通過射束焊接方法引入到組件 中的內(nèi)應(yīng)力這樣地減小，即其在表面硬化期間被完全地分解。相應(yīng)地僅僅留有表面硬化引 入的組件扭曲，該扭曲通過在生產(chǎn)設(shè)計為單體的大型變速齒輪時的相應(yīng)的扭曲進(jìn)行比較和 相應(yīng)地控制。此外，該扭曲根據(jù)本發(fā)明可以通過輪體結(jié)構(gòu)的明顯的彈性設(shè)計來這樣地修改， 即其導(dǎo)致較小的扭曲。
[0024] 因此本發(fā)明提出一種方法，以該方法生產(chǎn)混合型的、表面硬化的大型變速齒輪，其 結(jié)合了已知的混合型大型變速齒輪的優(yōu)點和已知的單體設(shè)計的大型變速齒輪的優(yōu)點。由于 混合型的設(shè)計，在較小的材料投入的情況下實現(xiàn)具有較小的自重的大型變速齒輪。由于表 面硬化的原因，實現(xiàn)了從最小1250N/mm 2,