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.
The invention relates to a tooth coupling with an internally and externally toothed coupling part, in particular for high-speed drives and drives, and to methods and devices for their production.
In the known toothed clutches, for manufacturing reasons, there must be a certain amount of play between the internal and external gears so that the coupling parts can be assembled. Running play is also necessary for the clutch to function during operation. The higher the operating speed of the coupling, the lower this running clearance should be, so that when starting and increasing the speeds due to the eccentric bearings of the coupling sleeve, there is no imbalance that can be harmful to the operation of the unit.
The external and internal gears are made soft for lower loads and hardened for higher loads.
Hardening distortion changes the shape of the teeth in such a way that the coupling parts can no longer be assembled after hardening because of the tight play required. Conversely, taking into account a larger play during the previous machining and different changes in shape during hardening, it would be completely impossible to maintain close play without reworking.
In the case of external gears, there are machine tools (grinding machines) that allow workpieces to be manufactured with greater dimensional accuracy and narrower manufacturing tolerances than is possible with internal gears, especially if they are hardened. Manufacturing machines that allow these accuracies to be produced economically for internal gears are not known.
So far, the internal gears have therefore been nitrided in order to avoid mechanical reworking of the gears.
The nitriding process has the advantage that it is less susceptible to warping, but the disadvantageous property that the surfaces grow (i.e. outer bodies become stronger, cavities become weaker) depending on the layer thickness of the nitriding. Since compressive stresses build up in the nitrided layer, the sleeves are also deformed inside and outside, the degree of deformation depending on the ratio of the cross-sections of the nitrided surface to the non-nitrided surface. Since further, albeit small, changes in shape take place, the sum of all changes is subject to a tolerance that is usually greater than permissible.
For the couplings carried out, maximum clearances of approx. 0.02 mm should be adhered to because of their perfect function. So far, the internal gearing has therefore been produced first (be it in a soft or nitrided version). The actual dimensions achieved were measured and used as a basis for the final machining of the external gearing. Because of the changes in dimensions that occurred, the external gears had to be fitted without play. Then, after balancing the hubs, the sleeve was mounted and balanced together with the hubs, and the operating clearance was then created by reworking. With the aforementioned minor games, all of this requires a great deal of effort
Coupling parts manufactured in this way could therefore not be exchanged for others.
However, the market demands quick interchangeability of input and output assemblies as well as gears without changing the hubs on them.
The invention is therefore based on the object of developing toothed clutches, especially for high-speed drives and outputs, which, while maintaining the required maximum clearance, allow a much simpler production method and whose individual parts can be exchanged or connected to other clutches as required. This task has not yet been set or solved.
To solve this problem, the invention provides that the pitch circle of at least one of the two coupling parts deviates from the circular shape in such a way that only in the area of three or more teeth distributed around the circumference the deviating pitch circle with a circle assigned to it or circumscribed corresponds or comes closest to each other and there is a gradual periodic increase and decrease in the deviation in between.
If the coupling parts have two different pitch circles with three matching teeth offset by 1200 to each other, it is advisable to assemble the two coupling parts with a rotational offset of the curve maxima of 0 to 600. As a result of the proposed correction of the pitch circle, the toothing achieves a shape that approximates the triangle in an exaggerated representation. As a result, when assembling the coupling parts, only the three teeth whose pitch circle area corresponds to or approximates the normal pitch circle are properly guided in the corresponding tooth gaps of the counter-toothing. As a result, the sleeve is centered and free of play on the hub. In this state the sleeve can be balanced. When starting up and increasing the speed, the sleeve remains centered on the hub axles and thus without imbalance.
When torque is introduced, only the flanks of the aforementioned three teeth of the toothing are initially effective. The circumferential forces acting at these points create radially acting components due to the inclined tooth flanks, which cause elastic deformation (springing) of the sleeve towards the outside. When there is equilibrium with the sleeve stresses acting radially inwards due to the deformation, this comes to rest after further teeth have also been brought into play.
With a suitable choice of the sleeve wall thickness and the angle of engagement of the toothing, the coupling can be designed so that the respective number of teeth is sufficient for the torque to be transmitted. The inner part can also be used for this if the wall thickness under the outer toothing is selected accordingly. With a suitable design of the toothing, after the deformation of the workpieces on the rear flanks, there will be backlash, the size of which can be determined by the design. This backlash is necessary so that minor misalignment of the axes can be absorbed by the coupling.
Further details of the invention as well as measures for the production of the coupling according to the invention emerge from the drawing. The invention is shown schematically and by way of example in the drawing. Show it:
Fig. 1 is a front view of an engaged tooth coupling,
2 shows a front view of a clamping ring for the deformation of a coupling part,
3 shows a longitudinal section through the clamping ring according to FIG. 2,
Fig. 4 shows a cross section through a clamping piece and
5 shows a concentricity diagram with regard to the deviating pitch circle.
In the exemplary embodiment in FIG. 1, the outer part (sleeve) of the coupling is denoted by 1 and the inner part (hub) of the toothed coupling is denoted by 2. In this embodiment, the hub 2 is manufactured in a conventional manner. The pitch circle 3 of the external toothing of this hub 2 is accordingly exactly circular.
In contrast, the pitch circle 4 of the sleeve 1 is not circular, but it deviates from the circular shape. Therefore, three tooth gaps 5, each at a distance of 1200 from one another, are made so that their pitch circle area corresponds to pitch circle 3 of the external toothing of the hub. All other tooth gaps of the hub 1 lie with their pitch circle area more or less away from pitch circle 3 of the external toothing of the hub 2. This has the consequence that only the teeth 6 of the hub 2 assigned to the tooth gaps 5 bear with their flanks and thereby the sleeve 1 center the hub 2. At the same time, a play-free seat of the sleeve 1 on the hub is guaranteed.
The dimensioning of the coupling parts 1, 2 is chosen so that the three teeth 6 are initially only able to transmit the torque. The circumferential forces acting on the flanks of the teeth 6 lead, due to their radial component, to an elastic deformation of the sleeve 1 inward, which means that the teeth 6 'adjacent to the teeth 6 now in turn come to flank support. The extent of the elastic deformation of the sleeve 1 accordingly determines the number of supporting teeth 6, 6z.
Such a measure has the advantage that the coupling parts 1, 2 can be manufactured in a particularly simple manner without the harmful effects of toothing errors or changes in shape during hardening occurring.
As a result of the centering via the teeth 6, the clutches have the property of being interchangeable in any way. This means that the sleeve 1 and the hub 2 of the couplings can always remain in connection with the drive parts assigned to them if it is necessary to couple a drive machine alternately with any number of driven machines.
There is the problem of how the sleeve 1 with the pitch circle 4 deviating from the circular shape can be manufactured simply and expediently. In the illustrated embodiment, the centering of the three teeth 6 is assumed by their flanks. But you can also provide a head centering of these teeth 6, so these teeth 6 have no play between the head and the tooth base. In the case of the remaining teeth, there is then necessarily a more or less large amount of play between the tooth flanks. When centering the head, it is also advisable to bevel the coupling parts in the area of their teeth.
There is the possibility of either bringing the gear cutting tool or the workpiece closer together during the gear cutting period, for which purpose one of these parts can be guided on an adjustable eccentric. The eccentric adjustment must then be carried out in such a way that the pitch circle at the centering points 5, 6 matches the circular shape and deviates periodically in between.
Another production method consists in elastically deforming the sleeve 1 during the toothing. For this purpose, a clamping ring 7 is used according to Figure 2 to 4, which receives the sleeve 1 with play. Clamping screws 8 are located at three locations offset from one another by 1200, which act radially on clamping pieces 9 and through these clamping pieces 9 contract the sleeve 1 radially. If the sleeve 1 deformed in this way is interlocked and released again after the interlocking has been completed, it is found that in the area of the action of the clamping pieces 9, the pitch circle area of the sleeve toothed at this point deviates most from the normal circular pitch circle. In contrast, at the point between the effects of the clamping pieces 9, the sleeve has experienced no or only a very slight deviation from the normal pitch circle.
This deviation is due to the fact that the sleeve 1 falls back elastically into its starting position after being released from the clamping ring 7.
In the example in FIG. 5, the deviation of the pitch circle is shown in an exaggerated manner, whereby it can be seen that the radial distance of the pitch circle to the axis is smallest at points 10 and the largest in between. The deviating pitch circle therefore tends towards a triangular shape. The imaginary smallest circle that can be inscribed in this deviating pitch circle 4 should be slightly smaller in diameter than the round pitch circle 3 of the external toothing of the hub 2. The size of the deviation should also be dimensioned in such a way that it bridges the respectively necessary manufacturing tolerances of the external and internal teeth and additionally allows the required functional play to be achieved. The assembly of the coupling is of course made easier if the end faces of the toothing are chamfered in the usual way.