DE102004035620B4 - Kegelradgetriebe mit negativem Achsversatz - Google Patents

Abstract

Kegelradgetriebe mit negativem Achsversatz, dadurch gekennzeichnet, dass – die Summe der Spiralwinkel von Ritzel (21, 26, 31, 36, 103) und Tellerrad (20, 25, 30, 35, 104) über 70° liegt und – die Zahntiefen denen einer positivachsversetzten Radpaarung entsprechen und – die Summe der Eingriffswinkel bei 35° und darunter liegt und – das Ritzel (21, 26, 31, 36, 103) mit einer Abrückung vom Erzeugerrad in Erzeugerradachsrichtung von über 20% des Normalmoduls gefertigt wurde.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf achsversetzte Kegelräder (auch als Hypoidgetriebe bezeichnet) mit bogenförmiger Flankenlinie, die im kontinuierlichen- oder einzelteilenden- Verfahren hergestellt und mit einem negativen Achsversatz versehen wurden, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Kegelradgetriebe finden in Personen- und Lastkraftwagen sowie Eisenbahnen, Helikoptern und vielzähligen Maschinen Anwendung.
• Kegelradgetriebe werden mit sich schneidenden Achsen als sogenannte Spiralkegelräder oder mit sich unter einem Abstand (Achsversatz) kreuzenden Achsen als sogenannte Hypoidgetriebe hergestellt. Abhängig von der Spiralrichtung (Ritzel linksspiralig – Tellerrad rechtsspiralig bzw. Ritzel rechtsspiralig – Tellerrad linksspiralig) kann bei Hypoidgetrieben der Achsversatz positiv oder negativ festgelegt werden (bekannt aus Niemann G., Winter H., Maschinenelemente Band III, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1983), wodurch die folgenden Fälle unterschieden werden (Blickrichtung senkrecht zur Tellerradachse):
  Ritzel treibt, Ritzel vor Tellerrad angeordnet
  Fall 1 Spiralrichtung Ritzel linkshändig, Achsversatz des Ritzels nach unten (positiv)
  Fall 2 Spiralrichtung Ritzel rechtshändig, Achsversatz des Ritzels nach unten (negativ)
  Fall 3 Spiralrichtung Ritzel linkshändig, Achsversatz des Ritzels nach oben (negativ)
  Fall 4 Spiralrichtung Ritzel rechtshändig, Achsversatz des Ritzels nach oben (positiv)
• Ritzel treibt, Ritzel hinter Tellerrad angeordnet
  Fall 1H Spiralrichtung Ritzel linkshändig, Achsversatz des Ritzels nach oben (positiv)
  Fall 2H Spiralrichtung Ritzel rechtshändig, Achsversatz des Ritzels nach oben (negativ)
  Fall 3H Spiralrichtung Ritzel linkshändig, Achsversatz des Ritzels nach unten (negativ)
  Fall 4H Spiralrichtung Ritzel rechtshändig, Achsversatz des Ritzels nach unten (positiv)
• Tellerrad treibt, Ritzel vor Tellerrad angeordnet
  Fall 1R Spiralrichtung Ritzel linkshändig, Achsversatz des Ritzels nach unten (positiv)
  Fall 2R Spiralrichtung Ritzel rechtshändig, Achsversatz des Ritzels nach unten (negativ)
  Fall 3R Spiralrichtung Ritzel linkshändig, Achsversatz des Ritzels nach oben (negativ)
  Fall 4R Spiralrichtung Ritzel rechtshändig, Achsversatz des Ritzels nach oben (positiv)
• Tellerrad treibt, Ritzel hinter Tellerrad angeordnet
  Fall 1HR Spiralrichtung Ritzel linkshändig, Achsversatz des Ritzels nach oben (positiv)
  Fall 2HR Spiralrichtung Ritzel rechtshändig, Achsversatz des Ritzels nach oben (negativ)
  Fall 3HR Spiralrichtung Ritzel linkshändig, Achsversatz des Ritzels nach unten (negativ)
  Fall 4HR Spiralrichtung Ritzel rechtshändig, Achsversatz des Ritzels nach unten (positiv)
• Für ein zugseitig treibendes Ritzel gelten die Fälle 1 bis 4 und 1H bis 4H. Für ein zugseitig treibenden Tellerrades gelten die Fälle 1R bis 4R und 1HR bis 4HR. Als Zugseite ist die Paarung konkave Ritzelflanke mit konvexer Tellerradflanke definiert. Die Zugseite ist die Vorzugsrichtung zum Antrieb, da die Reaktionskräfte versuchen Ritzel und Tellerrad zu separieren.
• Bei einem rechtsspiraligen Tellerrad (Fall 1), bewirkt ein Achsversatz nach unten eine Vergrößerung des Ritzels (bezogen auf Achsversatz null). Im Falle eines linksspiraligen Tellerrades (Fall 4), vergrößert sich der Durchmesser des Ritzels bei einer Achsversetzung nach oben. Da sich der Ritzelspiralwinkel in diesen Fällen um den Achsversatzwinkel γ erhöht, sich jedoch bei gleichbleibender Zähnezahl und gleichbleibendem Zahnabstand in Normalenrichtung ein vergrößerter Abstand der Zähne im Stirnschnitt t_s ergibt, wird sich der Umfang und damit der Durchmesser d₁ der Ritzel (Fälle 1 und 4) in gleichem Maße vergrößern. γ = arctan(A_V/R_M) β₁ = β₂ + γ d₁ = t_n·z₁·cos^–1β₁/π

γ

... Achsversatzwinkel

A_V

... Achsversatz

R_M

... Erzeugerradradius zum Berechnungspunkt

β₁

... Ritzelspiralwinkel

β₂

... Tellerradspiralwinkel

d₁

... Mittlerer Teilkreisdurchmesser Ritzel

t_n

... Normalteilung

z₁

... Zähnezahl des Ritzels

• Die Durchmesservergrößerung Δd₁ des Ritzel ergibt sich damit aus dem Unterschied der Spiralwinkel des achsversetzten Ritzels mit dem nichtachsversetzten Bezugsritzel (dessen Spiralwinkel in seiner Größe identisch mit dem des Tellerrades ist, jedoch entgegengesetzte Richtung hat). Δd₁ = t_n·z₁·[cos^–1(β₂ + γ) – cos^–1β₂]/π
• Aus der obigen Beschreibung lässt sich einfach der Schluss ableiten, dass eine entgegengesetzte Achsversetzung, die zur Verkleinerung des Ritzelspiralwinkels führt (Fälle 3 und 4 in Bild 1), eine entsprechende Verkleinerung des Ritzeldurchmessers zur Folge hat.
• Die Möglichkeit Achsversetzungen in beide Richtungen vorzunehmen ist zum Beispiel bekannt durch US 1,822,846 . Die Achsversetzung, die zur Ritzelvergrößerung führt wurde dabei als die ”richtige” bzw. positive Versetzungsrichtung bezeichnet. Die Vergrößerung der Ritzelzähne war willkommen, da wegen der höheren Zahl der Ritzelüberrollungen und stärkeren evolventischen Profilkrümmungen die Bruchgefahr von Ritzelzähnen generell größer ist.
• Hypoidverzahnungen besitzen außer des von Stirnrädern und nichtachsversetzten Kegelrädern bekannten Profilgleitens eine zusätzliche Komponente, das Längsgleiten. Die Höhe des Längsgleitens kann vereinfacht aus dem Achsversatzwinkel und der Winkelgeschwindigkeit des Tellerrades wie folgt errechnet werden: v_gl = ω₂·R_M·sin_γ

v_gl

... Zahnlängsgleiten

ω₂

... Winkelgeschwindigkeit Tellerrad

• Es ist dabei unerheblich ob es sich um einen positiven bzw. negativen Achsversatz handelt, in beiden Fällen entstehen die gleichen Absolutbeträge von Längsgleitung. Mit zunehmendem Achsversatz vergrößert sich der Wert des Längsgleitens. Für den Fall des Hypoidversatzes = 0 mm existiert nur das von Stirnrädern bekannte Profilgleiten. Aufgrund der zusätzlichen Gleitgeschwindigkeiten sind zum Betrieb von Hypoidgetrieben legierte Hochdruckoele bzw. spezielle Synthetikoele erforderlich um die Gefahr des Fressens zu verhindern. Das höhere resultierende Gleiten hat eine Reduktion des Wirkungsgrades zur Folge, die durch den Vorteil des gleichmäßigeren hydrodynamischen Schmierfilmaufbaus teilweise aufgehoben wird. Bei Hypoidversatz = 0 mm existiert keine Gleitgeschwindigkeit an der Wälzkegellinie, was zum Zusammenbruch des trennenden Schmierfilms führen kann. Resultierend daraus besteht die Gefahr der Flankenschädigung durch Pittingbildung und ein erhöhter Reibwert in der Zone um die Wälzkegellinie.
• Der vergrößerte Ritzelspiralwinkel (im Falle positiver Achsversetzung) liefert eine höhere Sprungüberdeckung, was in Verbindung mit dem Längsgleiten zu leiser laufenden Radsätzen mit Geräuschdämpfungseigenschaften führt. Die Vorteile der positiven Achsversetzung im Vergleich mit nichtachsversetzten Getrieben sind:
  Gutes Laufverhalten aufgrund höheren Überdeckungsgrades
  Kleinere Flankenpressungen aufgrund hohem Mehrfacheingriff
  Kleinere Flankenpressungen aufgrund größeren Durchmessers
  Kleinere Zahnfußspannungen aufgrund der dickeren Zähne
  Kleinere Zahnfußspannungen aufgrund kleinerer Flankenkräfte
  Geringere Neigung zum Unterschnitt aufgrund größeren Durchmessers
  Günstiger hydrodynamischer Schmierfilmaufbau
  Gute Dämpfungseigenschaften aufgrund des Längsgleitens
  Beliebtes Konstruktionselement (Fahrzeug liegt tiefer)
• Die Nachteile des positiven Achsversatzes sind:
  Spezielles Hypoidoel erforderlich
  Reduktion des Wirkungsgrades
• Ein negativer Achsversatz wirkt spiralwinkelverkleinernd am Ritzel, die Gleitgeschwindigkeiten besitzen die gleiche Größe (verglichen mit positivem Achsversatz) jedoch umgekehrtes Vorzeichen. Die Vorteile der negativen Achsversetzung sind:
  Ermöglicht die Realisierung der Fälle 2 und 3, wenn Achsversatz und Drehrichtung gegeben ist und die
  konvexe Tellerradflanke die Hauptlast übertragen soll (Zugseite)
• Die Nachteile der negativen Achsversetzung können wie folgt zusammengefasst werden:
  Schlechteres Laufverhalten aufgrund kleinen Überdeckungsgrades
  Höhere Flankenpressungen aufgrund geringem Mehrfacheingriff
  Höhere Flankenpressungen aufgrund kleinen Durchmessers
  Höhere Zahnfußbeanspruchung aufgrund dünnerer Zähne
  Höhere Zahnfußbeanspruchung aufgrund höherer Flankenkräfte
  Exotische Flankenprofile aufgrund Neigung zum Unterschnitt
  Plus die Nachteile des positiven Achsversatzes
• Die Fälle 1 und 4 und ihre Untervarianten können die folgenden Antriebsvarianten im Betrieb auf der Zugseite realisieren (Tellerraddrehsinn → Blick auf eine Darstellungsebene, in der sich das Ritzel auf der rechten Seite des Tellerrades befindet, Ritzeldrehsinn → Blick auf Ritzelspitze):
• Tellerradabtrieb im Uhrzeigersinn:
• Versatz nach unten, Ritzel treibt im Gegenuhrzeigersinn Zug (Fall 1)
• Versatz nach unten, Ritzel treibt im Uhrzeigersinn Zug (Fall 4H)
• Tellerradabtrieb im Gegenuhrzeigersinn:
• Versatz nach oben, Ritzel treibt im Uhrzeigersinn Zug (Fall 4)
• Versatz nach oben, Ritzel treibt im Gegenuhrzeigersinn Zug (Fall 1H)
• Ritzelabtrieb im Uhrzeigersinn:
• Versatz nach unten, Tellerrad treibt im Gegenuhrzeigersinn Zug (Fall 1R)
• Versatz nach oben, Tellerrad treibt im Uhrzeigersinn Zug (Fall 1HR)
• Ritzelabtrieb im Gegenuhrzeigersinn:
• Versatz nach oben, Tellerrad treibt im Uhrzeigersinn Zug (Fall 4R)
• Versatz nach unten, Tellerrad treibt im Gegenuhrzeigersinn Zug (Fall 4HR)
• Zur lückenlosen Vervollständigung aller Möglichkeiten bzw. Quadranten fehlen folgende Fälle, die bei positivem Achsversatz nur durch Betrieb auf der Schubseite realisiert werden können. Die Drehpfeile in Bild 1 sind für Schubbetrieb umzukehren.
• Tellerradabtrieb im Uhrzeigersinn:
• Versatz nach oben, Ritzel treibt im Gegenuhrzeigersinn Schub (Fall 4)
• Versatz nach oben, Ritzel treibt im Uhrzeigersinn Schub (Fall 1H)
• Tellerradabtrieb im Gegenuhrzeigersinn:
• Versatz nach unten, Ritzel treibt im Uhrzeigersinn Schub (Fall 1)
• Versatz nach unten, Ritzel treibt im Gegenuhrzeigersinn Schub (Fall 4H)
• Ritzelabtrieb im Uhrzeigersinn:
• Versatz nach oben, Tellerrad treibt im Gegenuhrzeigersinn Schub (Fall 4R)
• Versatz nach unten, Tellerrad treibt im Uhrzeigersinn Schub (Fall 4HR)
• Ritzelabtrieb im Gegenuhrzeigersinn:
• Versatz nach unten, Tellerrad treibt im Uhrzeigersinn Schub (Fall 1R)
• Versatz nach oben, Tellerrad treibt im Gegenuhrzeigersinn Schub (Fall 1HR)
• In allen klassischen Achsantrieben war es daher möglich, eine konstruktive Anordnung zu finden, die gewünschte Drehrichtung in Verbindung mit dem Achsversatz nach oben bzw. unten als positiv hypoidversetztes Getriebe zu realisieren. Auch in Fällen, in denen dies die Schubseite zur Hauptantriebsdrehrichtung machte, was mehr konstruktiven Aufwand und höhere Kosten bedeutete, wurde zur Vermeidung der Nachteile des negativen Achsversatzes der größere Aufwand akzeptiert, oder sogar ganz auf den Hypoidversatz verzichtet (Spiralkegelradgetriebe), um in jedem Falle den negativen Achsversatz zu vermeiden.
• Die Drehrichtung zur Belastung der Zugseite ist die Vorzugsdrehrichtung, da die auftretenden Flankenkräfte zu einer axialen Belastung des Ritzels, weg vom Tellerrad führt. Die Wellen-Lagerverformungen aufgrund dieser Belastung führen zu einer Vergrößerung des Flankenspiels die weitgehend zulässig ist. Die umgekehrte Tellerrad-Antriebsrichtung hat Axialkräfte die das Ritzel zur Tellerradmitte hin verschieben zur Folge. Das Resultat ist eine Spielverkleinerung zwischen den Flanken, die schnell zum Zweiflankenkontakt führen kann. Der Zweiflankenkontakt muss jedoch unter hoher Belastung ausgeschlossen werden, da er zu einer Schädigung der Flankenoberflächen und schließlich zum Ausfall des Getriebes führt. Schubseitig hoch belastete Kegelradgetriebe müssen bezüglich Ihrer Wellen-Lager- und Gehäuseausführung wesentlich steifer konstruiert werden um den Zweiflankenkontakt mit Sicherheit zu vermeiden. Das Verdrehflankenspiel, das zur Vermeidung eines deutlichen ”Lastwechselklackens” möglichst klein gewählt werden soll, muss bei schubseitiger Hauptbelastung mindestens 50% größer ausfallen als beim Treiben auf der Zugseite. Insgesamt ist ein Getriebekonzept, das für die Vorwärtsfahrt die Schubseite verwendet teuerer, größer, lauter und bezüglich Festigkeit stets gefährdet.
• Die Aufzählung der Vor- und Nachteile von positiver und negativer Achsversetzung zeigen, dass Getriebe mit positivem Achsversatz fast keine Nachteile haben, während die mit negativem Achsversatz nur einen wesentlichen Vorteil besitzen. Dieser eine Vorteil konnte bislang nicht genutzt werden, was dazu führte, dass die Fälle 2 oder 3 bzw. ihre Untergruppierungen (H, R, HR) für Leistungsantriebe nicht verwendet wurden.
• Das erfindungsgemäße Kegelradgetriebe entspricht der Makroanordnung nach Fall 2R oder Fall 3R bzw. Fall 2HR oder Fall 3HR (zugseitig belastet) und substituiert eine Makroanordnung gemäß Fall 1R oder Fall 4R, bzw. Fall 1HR oder Fall 4HR (schubseitig belastet bei Vorwärtsfahrt).
• Es ist bekannt, dass die in den heute verfügbaren Auslegungsprogrammen von Gleason, Oerlikon und Klingelnberg verwendete Hypoidtheorie den negativen Achsversatz nur wie ein vorzeichenverdrehter positiver Achsversatz behandelt wird. Nach diesen Programmen berechnete, negativ achsversetzte Kegelradgetriebe konnten nur in exotischen Sonderanwendungen eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Kegelradgetriebe mit negativem Achsversatz besitzt eine vergrößerte Zahnhöhe und kleinere Eingriffswinkel gegenüber heute bekannten Auslegungen. Es wurde erfindungsgemäß eine bisher ungebräuchliche Spiralwinkelaufteilung verwendet um eine Sprungüberdeckung identisch dem positiv achsversetzten Kegelradgetriebe zu erhalten und eine bisher unbekannte Ritzelabrückung bei gleicher Verzahnmaschineneinstellung verwendet um die Verkleinerung des Ritzels gegenüber einem nichtachsversetzten Kegelradgetriebe zu verhindern.
• Der Ritzelspiralwinkel kann beispielsweise vom nichtachsversetzten Zustand auf 35° festgehalten werden, wobei der Tellerradspiralwinkel sich aufgrund der negativen Achsversetzung z. B. auf 43° erhöht. Durch Anwendung dieser Erkenntnis erhöht sich auch bei der Einführung eines negativen Achsversatzes der Überdeckungsgrad und die Ritzelzähne entsprechen weitgehend denen des zugrundeliegenden nichtachsversetzten Spiralgetriebes.
• Die erfindungsgemäße Kegelradgeometrie löst die Aufgabe die wesentlichen Nachteile des negativen Achsversatzes zu reduzieren bzw. zu eliminieren. Das negativ achsversetzte Getriebe könnte in diesem Fall kleiner, leiser und preiswerter hergestellt werden und darüber hinaus einen besseren Wirkungsgrad besitzen.
• Der Vergleich der Nachteile zwischen Schubbetrieb mit einem positiv achsversetzten Getriebe und Zugbetrieb mit der erfindungsgemäßen Lösung mit negativem Achsversatz, die eine besser geeignete Geometrie für negativ achsversetzte Getriebe anwendet ergibt im Resultat nur reine Vorteile ohne jegliche Nachteile.
• Die Verzahnungsdaten eines in den folgenden Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels einer konventionell negativ achsversetzten Kegelradverzahnung sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

  Bezeichnung	Zahlenwert	Einheit
  Ritzelzähnezahl	17	-
  Tellerradzähnezahl	27	-
  Stirnmodul	5,6	mm
  Zahnbreite	33	mm
  Ritzel-Achsversatz	–10	mm
  Eingriffswinkel Ritzel konvex	15,73	Grad
  Eingriffswinkel Ritzel konkav	24,27	Grad
  Achswinkel	90	Grad
  Teilkreisdurchmesser Tellerrad	149,90	mm
  Zahnhöhe Außen	10,43	mm
  Teilkegelwinkel Ritzel	29,61	Grad
  Teilkegelwinkel Tellerrad	60,16	Grad
  Spiralwinkel Zahnmitte Ritzel	27,00	Grad
  Spiralwinkel Zahnmitte Tellerrad	35,83	Grad
  Verdrehflankenspiel	0,17	mm
  Ritzelabrückung	0,00	mm

  Tabelle 1
• Die Verzahnungsdaten eines in den folgenden Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß negativ achsversetzten Kegelradverzahnung sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

  Bezeichnung	Zahlenwert	Einheit
  Ritzelzähnezahl	17	-
  Tellerradzähnezahl	27	-
  Stirnmodul	5,6	mm
  Zahnbreite	33	mm
  Ritzel-Achsversatz	–10	mm
  Eingriffswinkel Ritzel konvex	14,23	Grad
  Eingriffswinkel Ritzel konkav	22,77	Grad
  Achswinkel	90	Grad
  Teilkreisdurchmesser Tellerrad	149,90	mm
  Zahnhöhe Außen	11,43	mm
  Teilkegelwinkel Ritzel	29,58	Grad
  Teilkegelwinkel Tellerrad	60,16	Grad
  Spiralwinkel Zahnmitte Ritzel	35,81	Grad
  Spiralwinkel Zahnmitte Tellerrad	44,06	Grad
  Verdrehflankenspiel	0,17	mm
  Ritzelabrückung	3,00	mm

  Tabelle 2
• Mit dieser Art der negativ achsversetzten Kegelradgetriebe werden die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile der negativ achsversetzten Kegelräder, wie Verkleinerung des Ritzelspiralwinkels, stark verringerter Ritzeldurchmesser exotische Zahnprofile mit Tendenz zum Unterschnitt und verringerter Überdeckungsgrad, eliminiert. Da gemäß 1 nicht alle konstruktiv möglichen Varianten mittels positivem Achsversatz und zugseitiger Hauptbelastung realisiert werden können, wurden die erheblichen Nachteile des Schubseitenbetriebs in Kauf genommen um die bisherige Ausführung des negativen Achsversatzes zu vermeiden. Erfindungsgemäß wird durch ein tiefer Verzahnen des Tellerrades, eine Ritzelabrückung, eine Reduktion des Eingriffswinkels sowie einer Spiralwinkelaufteilung mit einem Tellerradspiralwinkel der dem positiv achsversetzten Ritzel entspricht und einem entsprechenden Ritzelspiralwinkel, die Ritzelgeometrie und die Abwälzeigenschaften eines positiv achsversetzten Kegelradgetriebes angenähert. Bei kleineren Achsversetzungen und kleinen Übersetzungen sind die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Kegelradgetriebes besonders gut.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
• 1 die vier grundlegenden Hypoidfälle mit ihren Untervarianten,
• 2 eine ebene Darstellung der Tellerradzahnumrisse, projiziert in eine Achsschnittebene des Tellerrades, in welcher die Projektionen der Messerschnittkurven eingezeichnet sind,
• 3 eine räumliche Darstellung des Berechnungsmodells zur Ermittlung der Drehteilgeometrie des abgerückten Ritzels,
• 4 eine ebene Darstellung der Ritzelzahnumrisse, projiziert in eine Achsschnittebene des Ritzels, in welcher die Projektionen der Messerschnittkurven eingezeichnet sind,
• 5 vier ebene Darstellungen von Tragbildern, die in eine Achsschnittprojektion der Tellerradzahnumrisse projiziert eingezeichnet sind
• 6 sechs ebene Darstellungen von Gleitgeschwindigkeitsvektoren, die in Achsschnittprojektionen der Tellerradzahnumrisse projiziert eingezeichnet sind
• 7 ein Prinzipbild mit der Einordnung des erfindungsgemäßen Kegelradgetriebes zwischen positivem und negativem Achsversatz.
• 1 zeigt die vier grundlegenden Hypoidfälle mit ihren Untervarianten. Abhängig von der Spiralrichtung (Ritzel linksspiralig – Tellerrad rechtsspiralig bzw. Ritzel rechtsspiralig – Tellerrad linksspiralig), der Anordnung des Tellerrades vor oder hinter dem Ritzel sowie dem Antrieb des Tellerrades durch das Ritzel oder dem Antrieb des Ritzels durch das Tellerrad kann man 16 Fälle unterscheiden.
• Gemäß 1, Fall 1 befindet sich ein Tellerrad 20 im Eingriff mit einem Ritzel 21. Die Tellerrad Spiralrichtung 22 ist rechtshändig und bedingt eine linkshändige Ritzelspiralrichtung. Das nach unten versetzte Ritzel 21 wurde durch den Mittenversatz vergrößert, was als positiver Achsversatz bezeichnet wird. Das Ritzel treibt in Richtung 23, dies führt zur Kraftübertragung der Flankenpaarung konkave Ritzelflanke und konvexe Tellerradflanke, was als die Zugseite definiert ist. Die erzeugte Ritzelaxialkraft 24 drückt das Ritzel aus dem Zahneingriff; es handelt sich dabei um die erwünschte Axialkraftrichtung.
• Gemäß 1, Fall 3 ist Tellerrad 25 mit einem nach oben versetzten Ritzel 26 gepaart. Da die Tellerradspiralrichtung 27 rechtshändig ist wirkt der Mittenversatz ritzelverkleinernd, was als negativer Achsversatz bezeichnet wird. Die Antriebsrichtung des Ritzels 28 (Zugseite) bewirkt eine Axialkraft 29, die das Ritzel aus dem Zahneingriff drückt.
• Gemäß 1, Fall 2 ist Tellerrad 30 mit einem nach unten versetzten Ritzel 31 gepaart. Da die Tellerradspiralrichtung 32 linkshändig ist wirkt der Mittenversatz ritzelverkleinernd, was als negativer Achsversatz bezeichnet wird. Die Antriebsrichtung des Ritzels 33 (Zugseite) bewirkt eine Axialkraft 34, die das Ritzel aus dem Zahneingriff drückt.
• Gemäß 1, Fall 4 ist Tellerrad 35 mit einem nach oben versetzten Ritzel 36 gepaart. Da die Tellerradspiralrichtung 37 linkshändig ist wirkt der Mittenversatz ritzelvergrößernd, was als positiver Achsversatz bezeichnet wird. Die Antriebsrichtung des Ritzels 38 (Zugseite) bewirkt eine Axialkraft 39, die das Ritzel aus dem Zahneingriff drückt.
• Durch eine Verdrehung um 180° um eine horizontale Achse entsteht aus Fall 1 Fall 1H, aus Fall 2 Fall 2H, aus Fall 3 Fall 3H uns aus Fall 4 Fall 4H. Die Ritzeldrehrichtungen 40, 41, 42 und 43 der Fälle 1H, 2H, 3H und 4H sind jeweils identisch zu den Drehrichtungen 23, 33, 28 und 38 analogen Fällen 1, 2, 3 und 4. Die Tellerraddrehrichtungen 44, 45, 46 und 47 der Fälle 1H, 2H, 3H und 4H sind entgegengesetzt zu den Drehrichtungen 48, 49, 50 und 51 der analogen Fälle 1, 2, 3 und 4.
• Gemäß 1, Fall 1R befindet sich ein Tellerrad 60 im Eingriff mit einem Ritzel 61. Die Tellerrad Spiralrichtung 62 ist rechtshändig und bedingt eine linkshändige Ritzelspiralrichtung. Das nach unten versetzte Ritzel 61 wurde durch den Mittenversatz vergrößert, was als positiver Achsversatz bezeichnet wird. Das Tellerrad treibt in Richtung 63, dies führt zur Kraftübertragung der Flankenpaarung konkave Ritzelflanke und konvexe Tellerradflanke, was als die Zugseite definiert ist. Die erzeugte Ritzelaxialkraft 64 drückt das Ritzel aus dem Zahneingriff; es handelt sich dabei um die erwünschte Axialkraftrichtung.
• Gemäß 1, Fall 3R ist Tellerrad 65 mit einem nach oben versetzten Ritzel 66 gepaart. Da die Tellerradspiralrichtung 67 rechtshändig ist wirkt der Mittenversatz ritzelverkleinernd, was als negativer Achsversatz bezeichnet wird. Die Antriebsrichtung des Tellerrades 68 (Zugseite) bewirkt eine Axialkraft 69, die das Ritzel aus dem Zahneingriff drückt.
• Gemäß 1, Fall 2R ist Tellerrad 70 mit einem nach unten versetzten Ritzel 71 gepaart. Da die Tellerradspiralrichtung 72 linkshändig ist wirkt der Mittenversatz ritzelverkleinernd, was als negativer Achsversatz bezeichnet wird. Die Antriebsrichtung des Tellerrades 73 (Zugseite) bewirkt eine Axialkraft 74, die das Ritzel aus dem Zahneingriff drückt.
• Gemäß 1, Fall 4R ist Tellerrad 75 mit einem nach oben versetzten Ritzel 76 gepaart. Da die Tellerradspiralrichtung 77 linkshändig ist wirkt der Mittenversatz ritzelvergrößernd, was als positiver Achsversatz bezeichnet wird.
• Die Antriebsrichtung des Tellerrades 78 (Zugseite) bewirkt eine Axialkraft 79, die das Ritzel aus dem Zahneingriff drückt.
• Durch eine Verdrehung um 180° um eine horizontale Achse entsteht aus Fall 1R Fall 1HR, aus Fall 2R Fall 2HR, aus Fall 3R Fall 3HR und aus Fall 4R Fall 4HR. Die Ritzeldrehrichtungen 80, 81, 82 und 83 der Fälle 1HR, 2HR, 3HR und 4HR sind jeweils identisch zu den Drehrichtungen 88, 89, 90 und 91 analogen Fällen 1R, 2R, 3R und 4R. Die Tellerraddrehrichtungen 84, 85, 86 und 87 der Fälle 1HR, 2HR, 3HR und 4HR sind entgegengesetzt zu den Drehrichtungen 63, 73, 68 und 78 der analogen Fälle 1R, 2R, 3R und 4R.
• 2 zeigt oben eine ebene Darstellung des Tellerradzahnumrisses 95 des konventionellen Ausführungsbeispieles aus Tabelle 1, projiziert in eine Achsschnittebene des Tellerrades, mit den Projektionen der Messerschnittkurven. 96 stellt die Kurve des Messerendpunktes dar. 97 ist die Kurve des Übergangs von der Flanke zum Zahnfuß und 98 ist die unterste Messerspur im Zahnfuß. Unten in 2 ist die ebene Darstellung des Tellerradzahnumrisses 99 des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles aus Tabelle 2 dargestellt, projiziert in eine Achsschnittebene des Tellerrades, mit den Projektionen der Messerschnittkurven. 100 stellt die Kurve des Messerendpunktes dar. 101 ist die Kurve des Übergangs von der Flanke zum Zahnfuß und 102 ist die unterste Messerspur im Zahnfuß. Durch eine Messerspitzenverlängerung wurde der Tellerradzahnfuß 102 um 1,0 mm tiefer verzahnt, wodurch eine mehr als 10%ige Vergrößerung der aktiven Flankenfläche 99 verglichen mit 95 entsteht.
• 3 ist eine räumliche Darstellung des Berechnungsmodells zur Ermittlung der erfindungsgemäßen Drehteilgeometrie des abgerückten Ritzels 103, dass mit einem tiefer verzahnten Tellerrad 104, bezogen auf die Abstände zwischen dem Zahnfuß des Tellerrades und dem Kopfkegel des Ritzel, kollisionsfrei abwälzen soll. Das Ritzelkoordinatensystem X₁, Y₁, Z₁ wurde um den Abrückungsbetrag 105 von 3 mm relativ zum Tellerradkoordinatensystem X₂, Y₂, Z₂ in negativer Z₂-Richtung und um einen Achsversatz 94, von 10 mm in negativer X₂-Richtung verschoben. Das Tellerrad ist durch seinen bereits korrigierten Fußkegel 104 dargestellt, dessen Normale 106, die auf einem Radius 107 gezeigt ist, soweit um die Achse Z2 verdreht wird, bis die Verlängerung der verdrehten Normale 108 die Achse des Tellerrades (Punkt 109) und die Achse des Ritzels 110 gleichzeitig schneidet. In dieser Position der Normalen 108, wurde mit dem Fußpunkt der Normalen 111 ein Punkt des Ritzelkopfkegels gefunden. Wird diese Operation für mehrere, jedoch mindestens zwei Punkte (jeweils einer am inneren Ende und einer am äußeren Ende der Tellerradzahnbreite) des Tellerradfußkegels durchgeführt, dann ist der neue Ritzelkopfkegel 112 festgelegt. Der so errechnete Ritzelkopfkegel 112 muss noch um einen Betrag verkleinert werden, um einen Abstand zwischen Ritzelkopf und Tellerradfuß zu gewährleisten, der eine Kollision verhindert. Für den eingezeichneten Winkel 113 zwischen den beiden Drehachsen Z₁ und Z₂ ergibt sich der resultierende Kopfkegelwinkel 114 und der Abstand der Kopfkegelspitze zum Achskreuzungspunkt 115. 114 und 115 stellen die eindeutige Definition des Kopfkegelmantels dar.
• 4 zeigt oben eine ebene Darstellung des Ritzelzahnumrisses 116 des konventionellen Ausführungsbeispieles aus Tabelle 1, projiziert in eine Achsschnittebene des Ritzels, mit den Projektionen der Messerschnittkurven. 117 stellt die Kurve des Messerendpunktes dar. 118 ist die Kurve des Übergangs von der Flanke zum Zahnfuß und 119 ist die unterste Messerspur im Zahnfuß. Unten in 4 ist die ebene Darstellung des Ritzelzahnumrisses 120 des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles aus Tabelle 2 dargestellt, projiziert in eine Achsschnittebene des Ritzels, mit den Projektionen der Messerschnittkurven. 121 stellt die Kurve des Messerendpunktes dar. 122 ist die Kurve des Übergangs von der Flanke zum Zahnfuß und 123 ist die unterste Messerspur im Zahnfuß. Der Ritzelzahnumriss 120 wurde auf Basis des tiefer verzahnten Tellerrades und einer Ritzelabrückung (3) berechnet. Die Oberfläche der erfindungsgemäßen Ritzelflanke 120 wurde um etwa 20% gegenüber 116 vergrößert, was zum einen Teil das Ergebnis des etwas höheren Zahnes ist und zum anderen Teil an der nach unten verschobenen Übergangskurve 122 gegenüber 118 liegt. Um der Verringerung der Zahnkopfdicke der Ritzelzähne wie sie durch eine Abrückung und eine Zahnhöhenvergrößerung entsteht entgegenzuwirken, wurden die Messereingriffswinkel der beiden Ritzel und Tellerradflanken um je 1,5° verringert, wodurch die Eingriffswinkel im Berechnungspunkt (Flankenmitte) wieder den Eingriffswinkeln der konventionellen Ausführung entsprechen.
• 5 zeigt vier ebene Darstellungen von Tragbildern 124, 125, 126, 127, die in der jeweiligen Achsschnittprojektion der Tellerradzahnumrisse 128, 129, 130, 131 projiziert eingezeichnet sind. Tragbilder 124 (schubseitiges Tragbild) und 125 (zugseitiges Tragbild) sind mittels einer rechnerischen Zahnkontaktanalyse des konventionellen Ausführungsbeispieles gemäß Tabelle 1 erstellt worden. Tragbilder 126 (schubseitiges Tragbild) und 127 (zugseitiges Tragbild) sind mittels einer rechnerischen Zahnkontaktanalyse des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles gemäß Tabelle 2 erstellt worden. Die Zahnkontaktanalyse simuliert eine kleine Teillast mit einer Kontaktzonenabplattung von 6 μm. Die Tragbilder des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels 126 und 127 sind höher in Profilrichtung und haben eine um etwa 15% vergrößerte Flankenfläche 130 und 131 zur Verfügung um sich unter Last auszubreiten verglichen mit den Tragbildern des konventionellen Ausführungsbeispiels. Dies erlaubt die Gestaltung kleiner Drehabweichungen die geräuschgünstig sind und liefert reduzierte Flankenpressungen und Zahnfußspannungen. Durch die erfindungsgemäß durchgeführten Modifikationen stellen sich insbesondere bei einzelteilverzahnten Kegelradsätzen Flankenformabweichungen erster und zweiter Ordnung in einer Größenordnung von 500 μm ein. Diese Abweichungen verhindern die Abwälzfähigkeit der Flanken und müssen daher z. B. mit dem Stand der Technik entsprechenden Korrekturen erster und zweiter Ordnung eliminiert werden.
• 6 zeigt sechs ebene Darstellungen von Gleitgeschwindigkeitsvektoren 132, 133, 134, 135, 136, 137, die in Achsschnittprojektionen der Tellerradzahnumrisse 138, 139, 140, 141, 142, 143 projiziert eingezeichnet sind. Die Längen der Vektorlinien sind proportional zur betragsmäßigen Gleitgeschwindigkeit, die Maßstäbe aller Gleitgeschwindigkeitsvektoren in 6 sind gleich. 132 und 133 sind die Gleitgeschwindigkeitsvektoren der Schub- und Zugseite eines konventionell, positiv achsversetzten Kegelradgetriebes, als Referenz. Das konventionell negativ achsversetzte Ausführungsbeispiel nach Tabelle 1 liefert die Gleitgeschwindigkeitsvektoren 134 (Schubseite) und 135 (Zugseite). Das erfindungsgemäß negativ achsversetzte Ausführungsbeispiel nach Tabelle 2 hat Gleitgeschwindigkeitsvektoren 136 (Schubseite) und 137 (Zugseite). Die Gleitgeschwindigkeitsvektoren 144 und 145 am Tellerradkopf der erfindungsgemäßen Ausführung besitzen die kleinsten Längen (gleich niedrige Geschwindigkeiten). Die Paarung Tellerradkopf und Ritzelfuß ist bekanntermaßen fressgefährdet, was die Geschwindigkeitsverläufe in den Tellerradzahnumrissen 142 und 143 der erfindungsgemäßen Ausführung besonders günstig macht.
• 7 ein Prinzipbild mit der Einordnung des erfindungsgemäßen Kegelradgetriebes zwischen positivem und negativem Achsversatz. In 7 wurden nur die Fälle mit treibendem Tellerrad verwendet. Fall 1R hat optimale Eigenschaften. Muss aus Gründen des Einbauplatzes Ritzel 61 nach oben versetzt werden, dann entsteht Fall 3R, der zwar den Vorteil des Treibens auf der Zugseite besitzt, jedoch ein kleines Ritzel 66 mit geringer Festigkeit und exotischen Zahnprofilen liefert. Diesen Nachteilen kann der Stand der Technik nur durch eine Umkehr der Spiralrichtung 67 Rechnung tragen, woraus bei gleicher Drehrichtung 68 Fall 4RN entsteht. Fall 4RN besitzt zwar ein vorteilhaft vergrößertes Ritzel, treibt jedoch auf der Schubseite. Durch die Ritzelaxialkraft 147, die das Ritzel in den Zahneingriff zieht wird die Tragfähigkeit und das Geräusch erheblich negativ beeinflusst. Wird auf den Fall 3R die erfindungsgemäße Anleitung zum Handeln angewandt, so entsteht Fall 5R. Fall 5R besitzt ein nach oben versetztes Ritzel, treibt auf der Zugseite, die Axialkraft drückt das Ritzel aus dem Eingriff und die Größe des Ritzels ist zwischen der, der Fälle 1R und 3R.

Claims (4)

1. Kegelradgetriebe mit negativem Achsversatz, dadurch gekennzeichnet, dass – die Summe der Spiralwinkel von Ritzel (21, 26, 31, 36, 103) und Tellerrad (20, 25, 30, 35, 104) über 70° liegt und – die Zahntiefen denen einer positivachsversetzten Radpaarung entsprechen und – die Summe der Eingriffswinkel bei 35° und darunter liegt und – das Ritzel (21, 26, 31, 36, 103) mit einer Abrückung vom Erzeugerrad in Erzeugerradachsrichtung von über 20% des Normalmoduls gefertigt wurde.
2. Kegelradgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ritzel (21, 26, 31, 36, 103) und Tellerrad (20, 25, 30, 35, 104) im Einzelteilverfahren hergestellt werden.
3. Kegelradgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ritzel und Tellerrad im kontinuierlichen Teilverfahren hergestellt werden
4. Kegelradgetriebe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartfeinbearbeitung mittels Läppen, Hartverzahnen (Skiving) oder Schleifen erfolgt.

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