Fr sverfahren für Kegelräder.
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Regelrädern mit schrägstehenden und gekrümmten Zähnen durch Fräsung unter Bildung von Zahnflanken durch Abwälzen ; sie geht von dem Gedanken aus, das Fräs- werkzeug während seiner Arbeits-und Vorschubbewegung ein ideelles Kegelrad im Raum beschreiben zu lassen, mit dem das Arbeitsstück oder der Rohling in zwangs läufigem Eingriff entsprechend dem Zusammenarbeiten des ideellen Kegelrades mit dem zu erzeugenden Kegelrade gebracht wird.
In der primitivsten Form kann man sich die Erzeugung eines Kegelrades so vorstellen, dass in einen Kegel aus bildsamem (plastischem) Werkstoff die Zahnlücken eingedrückt werden, indem der Rohling in zwangsläufigem Eingriff mit einem Gegen- kegelrad aus entsprechenden hartem Werk- stoff gebracht wird.
Um diese roheste Form des Gedankens praktisch zu verwirklichen, also Zähne in Arbeitsstücke von harten Werkstoffen, wie Eisen und Stahl, einarbeiten zu können, muB nun den die Lücken des zu erzeugenden Kegelrades bearbeitenden Zähnen des ideellen Gegenrades zunachst eine Eigengeschwindigkeit in Richtung der Zähne, das hei#t eine entsprechende Schnitt geschwind gkeit, verliehen werden. Die zweite Bedingung geht dahin, dass nicht je weils ein einzelner Zahn fertig gemacht und dann erst der andere in Angriff genommen wird, sondern es sollen alle Zähne des Arbeitsstückes in steter Folge gleichmässig vorgearbeitet und fertiggestellt werden.
Dies wird dadurch erreicht, dass man das mit dem zu erzeugenden Kegelrad in zwangs- läufigen Eingriff gebrachte ideelle Gegenrad durch einen Schneckenfräser kopieren lässt, der derart exzentrisch und schrägstehend um eine Achse schwenkbar angeordnet wird, dass er dazu eine Planetenbewegung ausfuhrt, wobei immer die Fräsersteigung in Richtung des Winkels der zu fräsenden Sohrägzähne fällt ;
durch die zwischen dem Arbeitsstück und dem durch die jeweils wirksamen Zähue des Schneckenfräsers kopierten ideellen Gegenrad eintretende Abwälzbewegung findet nun die Bildung der Zahnflanken statt, während durch die Schwenkbewegung des Frä- sers gleichzeitig eine Durchgangsbewegung durch das Werkst#ck und damit ein nat#r- licher, die Ausarbeitung der vollen Zahntiefe gew#hrleistender Vorschub erfolgt.
Grundsätzlich k#nnen bekanntlich mit einem bestimmten Kegelrade alle diejenigen zon Gegenräder, die, abgesehen natürlich von der gleichen Teilung mit ihm, denselben Kegel spitzenpunkt gemeinsam haben, in Eingriff gebracht werden. Unter diesen unendlich vielen Formen besetztabereine eine besondere Ausnahmestellung, nämlich das soge nannte"Planrad", das heisst dasjenige Ge genrad, dessen Kegelspitzenwinkel] 80"be- trägt, womit der regel zu einer ebenen Kreisfläche wird.
Wird ensolchesPlanrad im Sinne der Erfindung als ideelles Gegenrad zugrunde gelegt, so erhält man zun iehs. bez#glich der Anbringung des Schnecken- fr#sers insofern eine Vereinfachung, als jetzt die den jeweils wirksamen Fr#serz#hnen ent- sprechende Linie des Fräserteilmantels bei der Schwenkung in einer senkrecht zur Achse stehenden Ebene verble@bt. Das Wesentlich e ist aber, dass die Zahnflanken eines solchen
Planrades gerade Linien darst@llen, weil der Krümmungsradius unendlich ist, #hnlich wie die Zähne einer Zalmstange gerade Flan ken erhalten.
E'n Planrad ist deshalb ge wissermassen als eine im Kreis in der Radebene gebogene Zahnstange aufzufassen, deren Zähne sich entsprechend keilförmig ver- jiingen. Der Umstand, dass damit der Fr#ser gerade Flanken erhalten kann, vereinfacht nicht nur dessen Herstellung, sondern er möglicht seine Verwendung zur Herstellung beliebig vieler verschiedener Regelräder.
Au#er diesen grunds#tzlichen Bedingun- gen verbleibt nun noch eine Freiheit bez#g- lieh der Krümmung der Z#hne selbst, und zwar auf Grund folgender Überlegung : Ein Kegelrad mit in Richtung der Erzeugen- den des Kegelmantels stehenden geraden Zähnen kann man sich als Zusammenlegung einer unendlich grossen Zahl unendlich d#n- ner Stirnräder denken, deren Zahnteilung mit der Durchmesservergrosserung von innen nach aussen zunimmt.
Will man von einem Rolehen Rade auf Kegelräder mit gekrümm- ten Z#hnen #bergehen, so braucht man sich nur die einzelnen, den Stirnrädern entspre chenden Scheiben gegeneinanderInbestimm- ter Weise verschoben zu denken, während im übrigen die Verhältnisse genau die gleichen bleiben. Finir diese Verschiebung ergeben sich nun zwei in Hinsicht auf die praktische Ver wirklichung im vorliegenden Falle besonders gut geeignete und einander auch im Sinne der geometrischen Umkehrung entsprechende Gesetzm##igkeiten.
Einmal k#nnen n#mlich die gedaehten Stirnradseheiben so gegenein- ander verschoben werden, daB überall die Normalteilung. das heisst die Teilung jeweils senkrecht zum Zahnverlauf, d@e gleiche bleibt, womit sich für die Krümmung der Zahnspirale eine Evolvente ergibt, oder es kann die Schr#ge des Zahnverlaufes, das heisst also der Winkel des Zahnes, an jeder Stelle mit dem zugehörigen Radius der gleiche bleiben, womit die Zahnkrümmung die Form einer logarithmischen Spirale annimmt.
Die erste Art und Weise der Versetzung gestattet die Anwendung eines einfachen Schneckenfräsers gleichbleibender Steigung und Teilung. damit also die Verwendung des einfachsten Werkzeuges. Die zweite Arbeits- weise, die ein theoretisch vollkommenes Ke- gelrad verb#rgt, verlangt insofern ein ver- wickelteres Werkzeug, als jetzt der Fräser Zähne wachsender Teilung erhalten muss. da- mit bei der Krümmung der Zähne nach einer logarithmisehen Spirale die erforderliche proportionale Verjüngung entsprechend der Durehmesserverkleinerung erzielbar ist. Beidemal ist aber die Stirnteilung, das heisst die Teilung auf dem Umfange an jeder Stelle proportional dem Radius.
Die Erfindung enth#lt noch einige Wei- terbildungen. namentlich in bezug auf die spezifische Durchbildung und Anpassung des Fräserwerkzeuges selbst, die aber anhand der in den Zeichnungen niedergelegten beispielsweisen Ausführungsformen näher behandelt werden sollen.
In den Fig. 1 und 2 ist im Aufriss und Grundriss die Stellung und Bewegung eines Schneckenfräsers gleichbleibender Steigung und Teilung, das heisst also zur Erzeugung von Kegelrädern gleichbleibender Normalteilung und damit nach der Evolvente gekrümmter Zahnspiralen wiedergegeben, weil damit am besten die grundsätzliche Form der Erfindung verkörpert wird. Fig. 3 zeigt die Anordnung der einzelnen Teile im Raumc zueinander, während Fig. 4 das von den Fräserzähnen kopierte ideelle Planrad, das mit dem zu erzeugenden Kegelrad kämmend zu denken ist, wiedergibt. Fig. 5 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang der Ge schwindigkeiten des Fräsers und des Arbeitsstückes.
Der Fräser 13, hier ein einfacher, zy- lindrischer, mehrgängiger Schneckenfräser gleichbleibender Steigung und Teilung und mit geraden Flanken, ist gemäss der Erfindung so zu dem Arbeitsstück oder Rohling 16 angeordnet, dass die jeweils zur Wir kung gelangenden Fräserzähne das mit dem zu erzeugenden Kegelrad kämmende Planrad (Fig. 4) kopieren. Dabei fällt jeweils die Fräsersteigung in Richtung der herzustellenden Zahnl#cken des Arbeits- stückes.
Um nun das mit der Drehung des Fr#sers 13 im Sinne des Pfeils 15 erforderliche Abw#lzen des Arbeitsstückes 16 im Sinne des Pfeils 17 zu erzielen, wird durch zwangsläufige Kupplung der Welle 14 des Fr#sers 13 und der des Rohlings 16, zum Beispiel durch geeignete Zahnradübersetzung, eine dauernde Mitdrehung des Rohlings erzielt, deren Gesetzmässigkeit sich aus dem in Fig. 5 dargestellten Geschwindigkeitsparallelogramm ergibt.
Ist v die Umfangs- geschwindigkeit des Fräsers, also normal zu seiner Drehachse 14, so werde die Eigen- geschwindigkeit des Arbeitsstückes 16, die ebenfalls normal zu dessen Drehachse ist, mit r bezeichnet. Damit besteht die Beclingungen, dass die aus den Womponenten v unsl r sich ergebende Resultierende t in Richtung und Steigung des Schneckenganges und damit der Zahnschräge an der Berührungs- stelle fallen muss. Daraus lässt sich das gezeichnete Geschwindigkeitsparallelogramm konstruieren, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Umfangsgeschwindigkeit r des Arbeitsstiickes als Relativgeschwndigkeit nach rückwärts aufgetragen werden muss.
Es ergibt sich hieraus also zunächst, da# der Fräser als Werkzeug einmal in Richtung der zu erzeugenden Zahnlücke eine bestimmte Geschwindigkeit, das heisst die wirkliche Schnittgeschwindigkeit, besitzt, während durch die Eigengeschwindigkeit r des Rohlings im Sinne des Mitdrehens das dauernde Abwälzen verbürgt wird ;
hierauf ist einmal die dauernd gleichmässige sämt- licher Zähne in steter Arbeitsfolge zurück- zuführen, wie ferner auch die Bildung der Zahnflanken nach der Evolventenform. Ob die Laufrichtung der Spiralzähne, wie für die Konstruktion des Geschwindigkeitsparallelogrammes hier angenommen, mit der Schneidrichtung des Werkzeuges zusammen- fällt oder nicht, hängt von dem Links-oder Rechtsschnitt des Werkzeuges ab.
Ausser dieser in bestimmter Gesetzmässig- iBig- keit zu der Mitdrehung des Arbeitsstückes stehenden Drehbewegung des Fr#sers 13 im Sinne des Pfeils 15 macht er nun noch eine Schwenkbewegung als Durchgangsbeweguug durch das Arbeitsstück im Sinne des Pfeils 19, womit der natürliche Vorschub und damit die Bildung der Zahntiefe in ihrer ganzen Erstreokung bedingt ist.
Auf Gruncl dieser Schwenkbewegung geraten die Fräser zähnezunächstmitdemArbeitsstück in #rt- liche Berührung, um sich allmählich unter steter Drehung des # Arbeitsstückes in dieses einzuarbeiten, bis mit dem völligen Ein- schwenken des Fräsers in seine Endstellung die Zahntiefen voll ausgebildet sind, unter gleichzeitiger Ausgestaltung der Zahnflan- ken nach der Evolvente entsprechend der dauernden Abwälzung.
Diese Schwenk-oder Durchgangsbewegung bedingt nun, so klein sie im Verhältnis zu der Drehbewegung des Fräsers und der Mitdrehung des Werkstückes ist, in dem durch Fig. 5 veranschaulichten Geschwindigkeitsbild eine gewisse Berichti- gung.
Es muss nämlich berücksichtigt werden, da# jetzt der Fräser 13 au#er seiner Drehung im Sinne von v auch schon eine Bewegung in Richtung der Geschwindigkeit t ausf#hrt, so dass die die Resultierende/ ergebende Komponente zu # die algebraische Summe der Eigenbewegung des Arbeitsstük- lies und der Durchgangsbewegung des Fr#- sers bilden muss.
W#hrend mit der bisher beschriebenen Anordnung, wie oben erw#hnt, Kegelr#der gleichbleibender Nonnalteilung und damit nach der Evolvente spiralig gekrümmte Zähne erzeugt werden, soll anhand der Fig.
6, 7. 8 und 9 diejenige Form der Erfindung beschrieben werden die zu Kegelrädern pro portional ver#nderlicher Stirn- und Normal- teilnng nnd damit nach einer logarithmischen Spirale gekrümmten Zähnen führt. Es wird dazu ein Fräser verwendet, der an Stelle der Schneekenlinien eines normalen Fräsers mit gleichbleibender Teilung solche 25 ver #nderlicher Teilung 20, 21 aufweist, wie dies in Fig. 7 veranschaulicht worden ist. Dabei kann entweder ein Fräser mit zylindrischem Teilmantel nach Fig. 8 oder ein solcher ; kegeligem Teilmantel nach Fig. 9 benutzt werden.
Wird ein solcher Träger gemäss Fig. Ci in der grundsätzlich gleichen Weise wie oben beschrieben angeordnet, so erzeugt er bei dieser Schwenkbewegung durch das Arbeitsstück hindurch auf Grund seiner ver änderlichen Teilung nach der Mitte zu sich verjüngende Zahne, die nach völligem Ein- sehwenken des Fräsers in seine Endstellung an jeder Stelle mit dem zugehörigen Radius den gleichen Winkel bilden, das heisst also nach einer logarithmischen Spirale gekrümmt sind, wie dies in Fig. 6 zur Darstellung (r re- bracht ist.
Dabei entsteht das theoretisch vollkommenste Kegelrad mit gekrümmten Zähnen, bei dem überall die gleichen Ein griffsverhälinisse herbeigeführt sind. die ein exaktes, ger#uschloses Abw#lzen verb#rgen.
Auch für die Herstellung von nach der Evolventenform gekrümmten Zähnen, das hei#t also gleichbleibender Normalteilung, kann die Anwendung von Fräsern mit koni- scliem Teilmantel, jedoch gleichbleibender Teilung zweckmässig sein, und zwar aus fol genden Gründen : Die Schraubenlinien eines zylindrischen Fr#sers sind in der Abwicklung natürlich gerade Linien. Damit wird die Zahnkurve gewissermassen aus den umhtillen- den Tangenten gebildet, das hei#t die Spiralen des Fräsers tangieren die Zahnkurven nur in einem Punkte.
Da nun die Zahl der Fräserzähne, so gro# sie auch ist, immer natürlich endlich bleibt, so setzt sich die Kurve aus einer endlichen Zaiil solcher Tangenten zusammen. Verwendet man jedoch einen Fräser mit konischem Teilmantel, dessen Schrau- benlinien in der Abwicklung Kurven sind, so findet an jeder Berührungsstelle zwischen Fr#ser und Kegelradzahn eine mehr oder minder starke Anschmiegung statt, die eine stetige Krümmung des zu erzeugenden Zah- nes gewährleistet.
Auch kann der Fräser in noch anderer Weise, gleichgtiltig, ob es ein solcher gleichbleibender oder veränderlicher Teilung ist, eine dem neuen Verfahren angepassteAus- gestaltung erhalten, die in den Fig.# 11 und 12 veranschaulicht ist. Es soll nämlich unter gleichmässiger Verteilung der Fr#serz#hne auf dem Fräsermantel die Anzahl der Schraubengänge des Fräsers zu der Anzahl der Schleifnuten, durch die die einzelnen Fräserzähne gebildet werden, so gewählt sein, da# kein Zahn das Arbeitsfeld des benach- barten deckt, so dass bei Drehung des Fräsers am seine Achse die Stellung irgend eines Zahnes von keinem zweiten eingenommen wird.
Bei Verwendung eines Fräsers mit mehreren Schraubengangen dürfen nur sol che. Räder hergestellt werden, bei welchen die Zalinezahl, dividiert durch die Anzahl der Schraubengänge des Fräsers keine ganze Zahl ergeben, das heisst, bei welchen die betreffenden Zahlen nicht restlos oder bruch- teillos ineinander aufgehen. Mit einem zweiol ngigen Fraser diirfen zum Beispiel nie malsRädernrt10.12,14.16 etc. Z#hnen gefr#st werden, sondern nur solche mit 9,11, 13, 15 etc. Znhnen.
Im ersten Falle müBte ein Fräser benutzt werden, welcher drei Schraubengänge hat, damit jede Schrauben- linie des Fräsers mit jeder Zahnlinie des Kegelrades in : E ngriff kommt. Das Zahlenverhältnis zwischen den Schraubengängen 27--31 und Zahnspiralen 33-38 ist so ge w#hlt, dass jeder einzelne Schraubengang 27-31 mit jeder einzelnen Kegelradspirale 33-38 in Berührung kommt und somit auch jeder einzelne Fräserzahn in jeder Kegelrad- spirale ein bestimmtes Kegelradelement erzeugt.
Soll zum Beispiel ein Arbeitsstück mit sechs Zähnen versehen werden, wie in Fig. 11 in Abwicklung dargestellt ist, so wird ein Fräser verwendet, dessen Zähne 24 so angeordnet sind, wie aus Fig. 12 ersiellt- lich. Zunächst greift Fräserzahnlinie 31 in Kegelradspirale 38 ein, Fr#serzahnlinie 30 in Kegelradspirale 37, Fr#serzahnlinie 29 in Kegelradspirale 36 und so fort, bis nach f#nf Umdrehungen des ArbeitsstAckes 13 die Fr#- serzahnlinie 31 wiederum mit Kegelrad- spirale 38 in Eingriff kommt.
Hierbei kommen die Fräserreihen 39, 40,41,42,43,44, 45, 46,47,48,49,50 nacheinander in Eingriff zu liegen, und es ergibt sich hierdurch der natürliche Vorschub. Da nämlich immer erst nach mehrmaligen Umdrehungen des Werkzeug-und des Arbeitsstückes sämtliche Zähne des Fräsers in jeder einzelnen Kegel radspirale zur Geltung kommen, so bearbeiten vorerst die Fräserzähne immer nur einen Teil. der einzelnen Lücken und schneiden die daneben liegenden Stellen mehr oder weniger vor, bis nach weiterem Umlauf ein Fertigschneiden stattfindet, das sich schliesslich bis auf die Bearbeitung der ganzen Zahnlänge erstreckt.
PATENTANSPRTTCHE :
I. Fr#sverfahren f#r Kegelr#der mit schräggestellten und gekrümmten Zäh nen, unter Bildung der Zahnflanken durch Abw#lzen, dadurch gekennzeich- net, dass ein Schneckenfräser derart es- zentrisch und schrägstehend um eine
Achse schwenkbar angeordnet wird (Pla- netenbewegung)-wobei die Fräser steigung in Richtung des Winkels der zu fräsenden Zahnlücken f#llt -, daB die jeweilsf zur Wirkung gelangenden
Zähne des Fräsers im Raum ein ideelles
Kegelrad kopieren,
mit dem das Arbe ts- stick im Sinne des nachherigen Kegel radeingriffes dauernd zwangsläufig mit- gedreht wird, wobei durch die Schwenk bewegung des Fräsers infolge der Durch gangsbewegung durch das Arbeitsstück die Bildung der Zahntiefen vermittelt wird.