Die Erfindung bezieht sich auf eine Zahnkupplung mit einem innen und einem aussen verzahnten Kupplungsteil, insbesondere für hochtourige An- und Abtriebe, sowie auf Verfahren und Vorrichtungen zu ihrer Herstellung.
Bei den bekannten Zahnkupplungen muss aus herstellungstechnischen Gründen zwischen den Innen- und Aussenverzahnungen ein gewisses Spiel bestehen, damit die Kupplungsteile montiert werden können. Auch zur Funktion der Kupplung im Betrieb ist ein Laufspiel nötig. Je höher die Betriebsdrehzahl der Kupplung ist, um so geringer soll dieses Laufspiel sein, damit sich beim Anlaufen und Steigern der Drehzahlen durch exzentrische Lager der Kupplungshülse keine Unwucht ergibt, die für den Betrieb des Aggregates schädlich werden kann.
Die Aussen- und Innenverzahnungen werden bei niedrigeren Beanspruchungen weich, bei höheren gehärtet hergestellt.
Durch Härteverzug verändern sich die Formen der Verzahnungen derart, dass die Kupplungsteile wegen des erforderlichen engen Spieles nach dem Härten nicht mehr montiert werden können. Umgekehrt würde bei Berücksichtigung eines grösseren Spieles während der vorhergehenden Bearbeitung und unterschiedlichen Formänderung während des Härtens das Einhalten enger Spiele ohne Nacharbeit völlig unmöglich sein.
Bei den Aussenverzahnungen gibt es Werkzeugmaschinen (Schleifmaschinen), die es gestatten, Werkstücke mit höherer Formgenauigkeit und engeren Herstellungstoleranzen herzustellen als es bei Innenverzahnungen, besonders wenn sie gehärtet sind, möglich ist. Fabrikationsmaschinen, die diese Genauigkeiten bei Innenverzahnungen in wirtschaftlicher Weise herzustellen gestatten, sind nicht bekannt.
Bisher werden die Innenverzahnungen daher nitriert, um eine mechanische Nacharbeit der-Verzahnung zu vermeiden.
Das Nitrierverfahren hat den Vorteil geringer Verzugsanfälligkeit, aber die nachteilige Eigenschaft, dass die Oberflächen wachsen (d. h. Aussenkörper stärker, Hohlräume schwächer werden) je nach Schichtstärke der Nitrierung. Da sich in der Nitrierschicht Druckspannungen aufbauen, verformen sich die Hülsen zusätzlich innen und aussen, wobei das Mass der Verformung vom Verhältnis der Querschnitte der nitrierten Fläche zur nicht nitrierten abhängt. Da weitere, wenn auch geringe Formänderungen stattfinden, ist die Summe aller Veränderungen mit einer Toleranz behaftet, die meist grösser als zulässig ist.
Bei den ausgeführten Kupplungen sollen wegen der einwandfreien Funktion maximale Spiele von ca. 0,02 mm eingehalten werden. Bisher wurde daher die Innenverzahnung zuerst hergestellt (sei es in weicher oder nitriergehärteter Ausführung). Die erreichten Istmasse wurden ausgemessen und für die Endbearbeitung der Aussenverzahnung zugrundegelegt. Wegen der eingetretenen Massänderungen mussten die Aussenverzahnungen spielfrei eingepasst werden. Dann wurde nach Auswuchten der Naben die Hülse montiert und gemeinsam mit den Naben ausgewuchtet und anschliessend das Betriebsspiel durch Nacharbeit erzeugt. Bei den vorgenannten geringen Spielen erfordert dies alles einen hohen Aufwand
So gefertigte Kupplungsteile konnten somit nicht gegen andere ausgetauscht werden.
Der Markt fordert aber rasche Austauschbarkeit von An- und Abtriebsaggregaten sowie Getrieben ohne Wechsel der auf diesen sitzenden Naben.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Zahnkupplungen, insbesondere für hochtourige An- und Abtriebe, zu entwickeln, die bei Einhaltung des geforderten maximalen Spieles eine wesentlich einfachere Herstellungsweise gestatten und deren Einzelteile beliebig gegen solche anderer Kupplungen austauschbar bzw. mit diesen verbindbar sind. Diese Aufgabe wurde bisher weder gestellt noch gelöst.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass der Teilkreis mindestens eines der beiden Kupplungsteile von der Kreisform in der Weise abweicht, dass nur im Bereich von drei oder mehr am Umfang verteilten Zähnen der abweichende Teilkreis mit einem ihm zugeordneten ein- bzw. umbeschriebenen Kreis übereinstimmt bzw. sich am weitesten nähert und dazwischen eine allmähliche periodische Zu- und Abnahme der Abweichung vorhanden ist.
Wenn die Kupplungsteile zwei abweichende Teilkreise mit drei um 1200 zueinander versetzten übereinstimmenden Zähnen aufweisen, empfiehlt es sich, die beiden Kupplungsteile mit einem Drehversatz der Kurvenmaxima von 0 bis 600 miteinander zu montieren. Durch die vorgeschlagene Korrektur des Teilkreises erlangt die Verzahnung in übertriebener Darstellung eine dem Dreieck angenäherte Form. Dies hat zur Folge, dass beim Zusammensetzen der Kupplungsteile lediglich die drei Zähne, deren Teilkreisbereich mit dem normalen Teilkreis übereinstimmt bzw. angenähert ist, in den entsprechenden Zahnlücken der Gegenverzahnung einwandfrei geführt sind. Dadurch sitzt die Hülse spielfrei und zentrisch auf der Nabe. In diesem Zustand kann die Hülse ausgewuchtet werden. Bei Inbetriebnahme und Steigern der Drehzahl bleibt die Hülse zentrisch zu den Nabenachsen und damit ohne Unwucht.
Bei Einleitung von Drehmomenten tragen zuerst nur die Flanken der genannten drei Zähne der Verzahnung. Die an diesen Stellen wirkenden Umfangskräfte lassen durch die schräg zum Radius stehenden Zahnflanken radial wirkende Komponenten entstehen, die eine elastische Verformung (Federung) der Hülse nach aussen verursachen. Bei Gleichgewicht mit den radial nach innen wirkenden Hülsenspannungen durch die Verformung kommt dieser zur Ruhe, nachdem auch weitere Zähne zum Tragen gebracht worden sind.
Bei geeigneter Wahl der Hülsenwandstärke und dem Ein griffswinkel der Verzahnung kann die Kupplung so ausgelegt werden, dass die jeweils tragende Zahl der Zähne für das zu übertragende Drehmoment ausreichend ist. Hierzu kann auch das Innenteil mit herangezogen werden, wenn man die Wandstärke unter der Aussenverzahnung entsprechend wählt. Bei geeigneter Auslegung der Verzahnung wird nach der Verformung der Werkstücke an den Rückflanken ein Zahnspiel entstehen, dessen Grösse von der Konstruktion festgelegt werden kann. Dieses Zahnspiel ist notwendig, damit geringe Ausrichtfehler der Achsen von der Kupplung aufgenommen werden können.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie Massnahmen zur Herstellung der erfindungsgemässen Kupplung ergeben sich aus der Zeichnung. In der Zeichnung ist die Erfindung schematisch und beispielsweise dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht auf eine im Eingriff befindliche Zahnkupplung,
Fig. 2 eine Vorderansicht eines Spannringes für die Verformung eines Kupplungsteils,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Spannring gemäss Fig. 2,
Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Klemmstück und
Fig. 5 ein Rundlauf-Diagramm bezüglich des abweichenden Teilkreises.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist das Aussenteil (Hülse) der Kupplung mit 1 und das Innenteil (Nabe) der Zahnkupplung mit 2 bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Nabe 2 in konventioneller Weise hergestellt. Der Teilkreis 3 der Aussenverzahnung dieser Nabe 2 ist demgemäss genau kreisförmig.
Hingegen ist der Teilkreis 4 der Hülse 1 nicht kreisförmig, sondern er weicht von der Kreisform ab. Daher sind drei Zahnlücken 5, die jeweils einen Abstand von 1200 voneinander aufweisen, so angefertigt, dass ihr Teilkreisbereich übereinstimmt mit dem Teilkreis 3 der Aussenverzahnung der Nabe. Alle übrigen Zahnlücken der Nabe 1 liegen mit ihrem Teilkreisbereich mehr oder weniger entfernt von Teilkreis 3 der Aussenverzahnung der Nabe 2. Dies hat zur Folge, dass allein die den Zahnlücken 5 zugeordneten Zähne 6 der Nabe 2 mit ihren Flanken tragen und dadurch die Hülse 1 auf der Nabe 2 zentrieren. Zugleich ist ein spielfreier Sitz der Hülse 1 auf der Nabe gewährleistet.
Die Dimensionierung der Kupplungsteile 1, 2 ist so gewählt, dass die drei Zähne 6 zunächst allein das Drehmoment zu übertragen in der Lage sind. Die an den Flanken der Zähne 6 wirkenden Umfangskräfte führen zufolge ihrer radialen Komponente zu einer elastischen Verformung der Hülse 1 nach innen, was zur Folge hat, dass die den Zähnen 6 benachbarten Zähne 6' nun ihrerseits zum Flankentragen gelangen. Das Ausmass der elastischen Verformung der Hülse 1 bestimmt demnach die Anzahl der tragenden Zähne 6, 6z.
Eine solche Massnahme hat den Vorteil, dass die Kupplungsteile 1, 2 in besonders einfacher Weise hergestellt werden können, ohne dass schädliche Einwirkungen von Verzahnungsfehlern sowie von Formveränderungen beim Härten auftreten.
Zufolge der Zentrierung über die Zähne 6 erhalten die Kupplungen die Eigenschaft, in beliebiger Weise austauschbar zu sein. Dies bedeutet, dass die Hülse 1 und die Nabe 2 der Kupplungen ständig mit den ihnen zugeordneten Antriebsteilen in Verbindung bleiben können, wenn es erforderlich ist, eine Antriebsmaschine wechselweise mit beliebig vielen Abtriebsmaschinen zusammenzukuppeln.
Es besteht das Problem, wie die Hülse 1 mit dem von der Kreisform abweichenden Teilkreis 4 einfach und zweckmässig hergestellt werden kann. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zentrierung der drei Zähne 6 durch ihre Flanken angenommen. Man kann aber auch eine Kopfzentrierung dieser Zähne 6 vorsehen, wobei diese Zähne 6 also kein Spiel zwischen dem Kopf und dem Zahngrund aufweisen. Bei den übrigen Zähnen besteht dann notwendigerweise ein mehr oder weniger grosses Spiel zwischen den Zahnflanken. Auch bei der Kopfzentrierung empfiehlt es sich, die Kupplungsteile im Bereiche ihrer Verzahnung stirnseitig anzuschrägen.
Es bietet sich die Möglichkeit an, entweder das Verzahnungswerkzeug oder das Werkstück während der Verzahnungsperiode einander zu nähern, zu welchem Zweck man eines dieser Teile auf einem verstellbaren Exzenter führen kann. Die Exzenterverstellung hat dann so zu erfolgen, dass der Teilkreis an den Zentrierstellen 5, 6 mit der Kreisform übereinstimmt und dazwischen periodisch abweicht.
Eine andere Herstellungsweise besteht darin, dass man die Hülse 1 während der Verzahnung elastisch verformt. Zu diesem Zweck wird gemäss Figur 2 bis 4 ein Spannring 7 verwendet, der die Hülse 1 mit Spiel aufnimmt. An drei um 1200 zueinander versetzten Stellen befinden sich Spannschrauben 8, die auf Klemmstücke 9 radial einwirken und durch diese Klemmstücke 9 die Hülse 1 radial kontraktieren. Wenn man die auf diese Weise verformte Hülse 1 verzahnt und nach Beendigung der Verzahnung wieder freigibt, dann stellt man fest, dass im Bereich der Einwirkung der Klemmstücke 9 der Teilkreisbereich der an dieser Stelle verzahnten Hülse am meisten vom normalkreisförmigen Teilkreis nach aussen abweicht. An der Stelle zwischen den Einwirkungen der Klemmstücke 9 hat demgegenüber die Hülse keine oder eine nur ganz geringfügige Abweichung vom normalen Teilkreis erfahren.
Diese Abweichung kommt dadurch zustande, dass die Hülse 1 nach Freigabe vom Spannring 7 elastisch wieder in ihre Ausgangsstellung zurückfällt.
Im Beispiel der Figur 5 ist die Abweichung des Teilkreises in übertriebener Weise dargestellt, wobei man erkennt, dass an den Stellen 10 die radiale Entfernung des Teilkreises zur Achse am geringsten und dazwischen am grössten ist. Der abweichende Teilkreis tendiert mithin in Richtung zu einer Dreieckform. Der gedachte kleinste Kreis, der sich in diesen abweichenden Teilkreis 4 einbeschreiben lässt, soll etwas kleiner im Durchmesser als der runde Teilkreis 3 der Aussenverzahnung der Nabe 2 sein. Auch soll die Grösse der Abweichung so bemessen sein, dass sie die jeweils notwendigen Herstellungstoleranzen der Aussen- und Innenverzahnung überbrückt und zusätzlich gestattet, das geforderte Funktionsspiel zu erreichen. Die Montage der Kupplung wird selbstverständlich erleichtert, wenn die Stirnseiten der Verzahnung in üblicher Weise angefast werden.