大型变速齿轮和制造大型变速齿轮的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种大型变速齿轮，其由多个彼此焊接在一起的单一部件制成，以及 涉及一种制造这样的大型变速齿轮的方法。
【背景技术】
[0002] 已知的是，大型变速齿轮、也就是具有直径超过600mm的齿轮被作为单体齿轮来 制造。
[0003] 大型齿轮的单体构造的缺点在于，其在材料要求和制造重量方面是非常不利的。 作为重量问题的解决方案已知的是，大型齿轮卷边（eingesickt)地设计。为此，在车削加 工轮侧面的范畴中去除材料。然而由此带来制造成本的升高，因为为了进行卷边而需要另 外的切削加工功率并且去除的材料引起原材料购入方面的费用。
[0004] 在表面硬化时出现另外的问题。在该过程中，在部件中引入大量能量，这在淬火工 艺中会导致严重的部件扭曲。该部件扭曲必须在之前通过复杂的结构措施以及在之后通过 相应的材料削减来补偿。因为材料削减必须在部件的已硬化状态中实现，这又导致巨大的 成本并且相应地是不经济的。一方面作为结构性对策已知的是，部件被设计成具有相应的 加工余量，从而能实现在后续将材料削减到额定尺寸。另一方面，为了更佳的硬度或者为了 改善淬火过程，在部件中引入钻孔，其应该确保部件由淬火介质均匀地冲洗，以在冷却期间 实现部件的较好的温度特性以及最小化的扭曲。
[0005] 尽管存在这些昂贵和复杂的对策，然而在实践中在狭窄的区域中非常难和受控地 限制部件扭曲。结果，以之前描述的方式制造的单体设计的大型齿轮是在材料成本和制造 成本上的妥协方案并且在总体上仅仅在一定程度上是经济的。
[0006] 作为单体的齿轮的替代方案，而公开了混合型齿轮，其由多个组件组成，也就是至 少由毂、设置在毂上的轮体和设置在轮体的外周上的齿环。在现有技术中，已经已知了这 样的混合型大型变速齿轮的不同的设计方案，其首先通过类型进行区分，如单一部件彼此 固定，以及通过单一部件的设计来区分。关于混合型大型齿轮制造的现有技术的概况例如 在教科书RolofT Matek，机器部件和Niemann Winter H0hn，机器部件或者专利文件如DE 911 500 B，DE 917 589 B 和 DE 82 05 946 Ul 中给出。
[0007] 单一部件之间彼此的固定可以机械地实现。因此，齿环例如能够与轮体螺栓连接。 可替换的是，将齿环热压套装在轮体上也是已知的，其中齿环相对于轮体通常通过相应的 形状配合锁定来防止相对运动。
[0008] 可替换的是，单一部件也能够材料配合地通过焊接来彼此连接，为此现在仅仅使 用具有能融化的电极的焊接工艺。焊接的齿轮必须除了齿轮安全之外还要附加地相关于其 切割位置特性来设计。对接切割点由以下部件组合构成，即齿环和轮体（所谓的轮缘）、炉 体和毂以及毂和轴。该对接位置必须在设计计算和制造规划中一同进行考虑。此外，还要 考虑其制造技术上的成本和其对部件功能的反作用。
[0009] 轮体可以是单体制造的，例如作为铸件。同样轮体也可以作为焊接结构来制造。焊 接的轮体尤其在大型变速箱建造中应用1至5件部件，因为其经常呈现出用于经济地制造 的唯一可能性。
[0010] 用于混合型大型变速齿轮的已知的制造流程例如为：提供毛坯件、预车外圆加工、 焊接、切齿、也许还有感应硬化、切齿磨削以及接下来的质量保证。
[0011] 在混合型大型变速齿轮中出现的焊接工序无例外地通过MSG焊接（MSG =金属保 护气焊接）、电子焊接或者埋弧焊接来实施。所有的这些都是具有融化的电极和相对高的区 段能量（Streckenenergie)的方法，以及因此对连接和基础材料的冶金方面的特性有较强 的影响。焊接工艺本身在钢结构中产生较大的内应力。因此，当今对于本领域技术人员而 言通常在联系到用于消除应力的焊接工作时实施去应力退火，从而阻止另外的制造步骤也 许以变形的方式释放该应力，例如在车削卷边时，在非对称地降低壁厚时或者类似情况。该 伴随制造出现的变形是已知的，并且导致防弃焊接的结构。相应地，仅仅在执行了去应力退 火之后才能实施对焊接的大型变速齿轮的高精度测量工作。
[0012] 焊接组件的淬火通过感应淬火实现。该方法的优点在于，仅仅局部地在组件中引 入相对少的热能，由此阻止了严重的部件扭曲。
[0013] 在混合型大型变速齿轮的情况中，如在单体设计的大型变速齿轮中应用的焊接组 件的表面硬化由于高的、通过焊接工艺由融化的电极引入的内应力而不能使用。在大型变 速齿轮的情况中，以齿轮的相对大的尺寸尤其是较大的直径为先决条件的、相对较小的组 件扭曲相对于小型齿轮的情况就已经导致巨大的形状偏差。由于焊接内应力和淬火变形引 起的扭曲可能累积如此之大，即也许需要在组件的淬火状态中进行复杂的机械后续加工。 然而这是不希望的，因为这会产生巨大的成本。相应地，齿环在已知的大型变速齿轮中一直 由调质钢制成。
[0014] 当今获得的混合型大型变速齿轮相对于单体设计的大型变速齿轮的缺点在于，其 仅仅能应用于价值不高的单位表面负荷，因为调质的齿环相对于表面硬化的齿轮具有更小 的承载能力。在混合型大型变速齿轮的情况中，齿面强度在大约600-800N/mm 2的范围中， 而单体设计的和表面硬化的大型变速齿轮具有大约1500N/mm2的齿面强度，在碳化的情况 中直至1700N/mm 2。另外的缺点在于，上述的焊接工艺具有较强的手动操作特征，因此其仅 仅能在小批量生产中经济地应用。当今，在批量生产期间的过程数据检测在此不是现有技 术并且仅仅能通过后续的质量控制来记录归档。
[0015] 在小型齿轮中，通过组件扭曲产生的偏差与大型变速齿轮相比在尺寸上产生较小 的形状偏差，因为之前对于混合型大型变速齿轮描述的、由焊接和淬火在组件中引入的扭 曲的问题在此仅仅扮演次要角色，尤其是当在此仅仅由于在时间固定的范畴中进行应用的 原因而要求较低的齿轮质量时。这例如出现在机动车和商用车辆的移动变速应用的情况 中。
【发明内容】
[0016] 从该现有技术出发，本发明的目的在于实现一种用于制造大型变速齿轮的经济的 方法和一种变速齿轮，其具有较小的自重并且设计用于最高的负载。
[0017] 为了实现该目的，本发明提出了一种用于制造由多个单一部件构成的大型变速齿 轮的方法，该方法包括一系列接下来的步骤：
[0018] a)提供单一部件，该单一部件包括至少一个毂、盘轮以及由表面硬化钢制成的齿 环；
[0019] b)至少部分机械地未淬火时加工单一部件；
[0020] C)在使用射束焊接方法的情况下连接单一部件；
[0021] d)使彼此连接的单一部件表面硬化，以及
[0022] e)硬加工至少一个齿环。
[0023] 本发明基于以令人惊讶的方式获得这样的知识，即利用射束焊接方法和表面硬化 的组合仅仅产生较小的组件扭曲，该扭曲能够以较小的成本在接下来的硬加工步骤中进行 补偿，而不必为此保留较大的加工余量。申请人由此出发，即通过射束焊接方法引入到组件 中的内应力这样地减小，即其在表面硬化期间被完全地分解。相应地仅仅留有表面硬化引 入的组件扭曲，该扭曲通过在生产设计为单体的大型变速齿轮时的相应的扭曲进行比较和 相应地控制。此外，该扭曲根据本发明可以通过轮体结构的明显的弹性设计来这样地修改， 即其导致较小的扭曲。
[0024] 因此本发明提出一种方法，以该方法生产混合型的、表面硬化的大型变速齿轮，其 结合了已知的混合型大型变速齿轮的优点和已知的单体设计的大型变速齿轮的优点。由于 混合型的设计，在较小的材料投入的情况下实现具有较小的自重的大型变速齿轮。由于表 面硬化的原因，实现了从最小1250N/mm 2,