DE102005050794A1 - Hochübersetzendes Kegelradgetriebe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hochübersetzendes Kegelradgetriebe nach dem Einzelteilverfahren hergestellt, mit Ritzelzähnezahlen zwischen 1 und 4, welches einen Achsversatz zwischen den Drehachsen von Ritzel und Tellerrad besitzt und dessen Ritzel als eine kegelige Schnecke ausgeführt ist, die im wälzenden Verfahren hergestellt wurde, während das Tellerrad formverzahnt ist. Die Flanken werden nach dem Härten durch Schleifen und/oder Läppen feinbearbeitet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Seelendurchmesser des Ritzels an der Ferse mindestens der doppelten Zahnhöhe an der Ferse entspricht, Ritzel und Tellerrad einer Einlaufprozedur unterzogen werden, bei der mit einem Bruchteil des Nenndrehmomentes begonnen wird und eine Steigerung des Drehmomentes stattfindet, ein Einstich die Ritzelzähne und ihre Anbindung am Lagerschulterabsatz beziehungsweise dem Ritzelschaft trennt.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf Kegelräder mit bogenförmiger Flankenlinie, die im einzelteilenden Verfahren hergestellt werden und gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 durch eine hohe Übersetzung gekennzeichnet sind.
• Kegelräder werden im einzelteilenden- oder kontinuierlichen- Verfahren in der Regel mittels Stirnmesserköpfen wie aus DE 2748037 A1 bekannt, hergestellt. Die zumeist treibenden Ritzel haben eine kleinere Zähnezahl (meist unter 20) und werden ausschließlich durch ein flankengenerierendes Wälzen hergestellt. Die zumeist getriebenen Tellerräder haben eine größere Zähnezahl (meist über 20) und werden entweder durch flankengenerierendes Wälzen oder durch abbildendes Formverzahnen erzeugt.
• Die Flankenlinien der einzelteilverzahnten Kegelräder entsprechen einem Kreisbogen. Für das entgültige Laufverhalten der Verzahnungen ist die Flankengeometrie der feinbearbeiteten Kegelräder nach dem Härten ausschlaggebend. Schleifen von bogenverzahnten Kegelrädern nach dem Härten mittels Werkzeugen und Kinematiken die der Weichbearbeitung nachgebildet sind ist nur für das Einzelteilverfahren möglich wie es aus der DE 2721164 C1 bekannt ist. Das erfindungsgemäße Kegelradgetriebe soll einstufige Winkelgetriebekonstruktionen für Leistungsgetriebe ermöglichen, die gemäß dem Stand der Technik bisher entweder als mehrstufige Getriebe, bestehend aus einem Kegelradgetriebe und ein bis zwei Stirnradstufen, oder mittels eines Schneckengetriebes ausgeführt werden. Mehrstufige Getriebe besitzen den Nachteil einer komplexen Getriebekonstruktion mit vielen Bauteilen, einem daraus resultierenden kleinen Wirkungsgrad (ca. 80%) und entsprechend hohen Herstellkosten. Schneckengetriebe sind in der Regel mit einem Schneckenrad aus Bronze ausgeführt um Zahnflankenfressen zwischen Schnecke und Schneckenrad zu vermeiden. Die Wirkungsgrade von Schneckengetrieben sind je nach Schneckenzähnezahl sehr gering (65%) und die Herstellkosten von schlichtgefrästen Schneckenrädern aus Bronze und geschliffenen Schnecken aus einsatzgehärtetem Stahl sind sehr hoch. Der kontinuierliche, hohe Verschleiß der Bronze des Schneckenrades führt darüber hinaus zu hohen Wartungskosten.
• Erfindungsgemäß soll die Aufgabe eines einstufigen Winkelgetriebes mittels eines hochübersetzenden Kegelradgetriebes gelöst werden, dessen Tellerrad und Ritzel aus einsatzgehärtetem Stahl mit geschliffenen Flankenflächen hergestellt sind.
• Eine sehr kleine Ritzelzähnezahl in Verbindung mit einer großen Tellerradzähnezahl und Normalmoduln wie sie bei Leistungsgetrieben üblich sind konnte diese Aufgabe gemäß dem Stand der Technik bisher nicht lösen, da die sich ergebenden kleinen Ritzeldurchmesser zum Bruch durch den Ritzelkern führen und die hohen Gleitgeschwindigkeiten Fresserscheinungen an der Flankenoberfläche hervorrufen. Eine weitere Problematik besteht in den kleinen Ritzeldurchmessern und den vergleichsweise großen Schaftdurchmessern, die erforderlich sind um die Wellenverbiegungen zu limitieren und um Wälzlagergrößen verwenden zu können, die in Verbindung mit den auftretenden radialen und axialen Kräften ausreichende Tragzahlen ergeben.
• Die Erfindung, wie sie durch den Oberbegriff des Hauptanspruches 1 beansprucht ist, bezieht sich auf hochübersetzende Kegelradpaarungen mit Ritzelzähnezahlen zwischen 1 und 4, wie sie in Zukunftsweisende Verzahntechnik, Ausgabe 2001, The Gleason Works, Rochester New York, USA beschrieben sind. Aufgrund der kleinen Zähnezahlen haben die Ritzel die Form von Kegelschnecken. Der Ritzelspiralwinkel ergibt sich bei Schnecken aus dem Zusammenhang-, daß bei gegebenem Normalmodul und einem angenommenen mittleren Ritzeldurchmesser die Zähne sich wie Gewindegänge um den Ritzelgrundkörper wickeln, deren Steigung sich in guter Näherung nach folgender Formel ergibt: t = mn·π U0 = d0·π λ = tan(t·z1/U0) β1 = 90° – λ

t

Normalteilung der Ritzelzähne

π

Kreiszahl

U₀

Mittlerer Teilkreisumfang

λ

Steigungswinkel der Ritzelzähne

z₁

Ritzelzähnezahl

β₁

Mittlerer Ritzelspiralwinkel

• Aufgrund der, bei schneckenförmigen Zahnrädern systembedingten hohen Gleitgeschwindigkeiten und des kleinen Ritzel-Kerndurchmessers (Ritzel-Seele) ergeben sich, in Verbindung mit den zu übertragenden Drehmomenten, fünf festigkeitsbegrenzende Kriterien:
• a Zahnfußfestigkeit (Zahnfußbiegespannung)
• b Flankenfestigkeit (Flankenpressung)
• c Fresstragfähigkeit
• d Seelenfestigkeit (Biegefestigkeit)
• e Rissbildung an Fersenanbindung (Bruch des Ritzelkopfe:
• Durch die geringe Ritzelzähnezahl wird bei Leistungsverzahnungen der Ritzelaußendurchmesser abhängig vom Modul verhältnismäßig klein ausfallen. Die Ritzelseele, die dem Fußkegel des Ritzels entspricht, ergibt sich aus dem Kopfkegel abzüglich der, über die Zahnbreite variierenden Zahnhöhe. Die Ritzelseele kann als kegelförmiger Biegebalken betrachtet werden, der durch die darauf befindlichen Zähne eine gewisse Versteifung erfährt. Abhängig vom Spiralwinkel der Ritzelzähne wirkt das Ritzel wie eine kegelförmige Schnecke, deren Zahnlücken wie Kerben wirken und die Bruchgefahr erhöhen. Die Ritzelseele soll mit ihrem Durchmesser an der Ferse die zweifache Höhe der darüber befindlichen Zähne nicht unterschreiten um mit ihrer Dauerbruchfestigkeit nicht wesentlich unter der Zahnfußfestigkeit zu liegen. Als Ferse wird in der einschlägigen Literatur und der Normengebung das Zahnende am größeren Durchmessers des kegeligen Grundkörpers bezeichnet.
• Die in Betracht gezogenen Normalmoduln betragen 2mm und darüber, insbesondere wird im Ausführungsbeispiel der Normalmodul 3,37mm behandelt. Eine Ritzelauslegung mit Standardproportionen würde für einen, bei dreizähnigen Ritzeln kleinstmöglich gewählten Spiralwinkel von 58,32°, einen Teilkreisdurchmesser erhalten von: d1 = mn/cosβ1·z1 (3,37mm/cos58,32°)·3 = 19,25mm d1 = 19,25mm

m_n

Normalmodul an der Ferse

d₁

Teilkreisdurchmesser an der Ritzelferse

• Die Zahnfußhöhe errechnet sich als das 1,2-fache des Normalmoduls: hf = mn·1,2 3,37mm·1,2 = 4,04mm hf = 4,04mm

h_f

Zahnfußhöhe an der Ferse

• Der Fußkreisdurchmesser ergibt sich durch Subtraktion der zweifachen Zahnfußhöhe, vom Teilkreisdurchmesser, df1 = d1 – 2·hf 19,25mm – 2·4,04mm = 11,17mm df1 = 11,17mm

d_f1

Fußkreisdurchmesser, Ritzelferse (Seelendurchmesser)

• Die doppelte Zahnhöhe beträgt: 2h = mn·2,2·2 3,37mm·2,2·2 = 14,83mm 2h = 14,83mm

2h

Doppelte Zahnhöhe

• Der Fußkreisdurchmesser entspricht dem Durchmesser der Ritzelseele an der Ferse. Die Betrachtung zeigt, daß Standardproportionen zu Seelendurchmessern führen, die unter der doppelten Zahnhöhe liegt, wodurch die Ritzelseele dauerbruchgefährdet ist. df1 < 2h
• Eine sogenannte Ritzelabrückung, die einer positiven Profilverschiebung des Ritzels entspricht löst die Aufgabe, die Ritzelseele zu vergrößern. Hierdurch wird die Festigkeit der Ritzelseele verbessert, jedoch die Fresstragfähigkeit verringert. Der Außendurchmesser des beispielhaften Ritzels beträgt Teilkreisdurchmesser plus zwei mal Modul, dk1 = d1 + 2·mn 19,25mm + 2·3,37mm = 25,99mm dk1 = 25,99mm

d_k1

Außendurchmesser, Ritzelferse

• Da sich bei schneckenförmigen Ritzeln die Längsgleitgeschwindigkeit näherungsweise aus der Umfangsgeschwindigkeit, multipliziert mit dem Sinus des Spiralwinkels errechnet, würde sich bei einem direkt am Ritzel angekoppelten Antriebsmotor mit einer Drehzahl von 1500 U/min und einem Spiralwinkel von 60° eine Gleitgeschwindigkeit von 104'226mm/min ergeben. vgl = dk1·π·n·sinβ1 25,99mm·π·1500 U/min·sin58,32° = 104 226mm/min vgl = 104 226mm/min

v_gl

Längsgleitgeschwindigkeit

n

Drehzahl des Ritzels

• Längsgleitgeschwindigkeiten über 100'000mm/min sind generell kritisch bezüglich Fresserscheinungen an den Flankenoberflächen, insbesondere bei einer Nennlast, die von der maximal dauerfest ertragbaren Flankenpressung abgeleitet ist (wie bei Leistungsgetrieben üblich). Sie bedürfen eines Hochdruck Hypoidoels mit hoher Scherfestigkeit und erfindungsgemäß einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit.
• Unter den genannten fünf festigkeitsrelevanten Kriterien werden die Kriterien a (Zahnfußfestigkeit, Zahnfußbiegespannung) und b (Flankenfestigkeit, Flankenpressung) als Führungsgrößen verwendet um die dauerfest übertragbaren Drehmomente zu bestimmen. Die abhängigen Größen sind demzufolge c (Fresstragfähigkeit), d (Seelenfestigkeit, Biegefestigkeit) und e (Rissbildung an Fersenanbindung).
• Die Erfindung, wie sie durch die Merkmale des Anspruches 1 beansprucht ist, löst die Aufgabe, die Festigkeitsrisiken c, d und e zu eliminieren oder zu reduzieren und einen dauerfesten beziehungsweise hoch-zeitfesten Zustand herbeizuführen.
• Die Erfindung ist gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches 1 durch drei Merkmale gekennzeichnet.
• 1) Zunächst wird erfindungsgemäß durch eine Ritzelprofilverschiebung der Durchmesser der Ritzelseele soweit vergrößert, daß df1 2h gegeben ist. Die Ritzelseele sollte nun nachgerechnet und eventuell nachkorrigiert werden. Die Vergrößerung des Ritzels hat eine weiter gesteigerte Längsgleitgeschwindigkeit zur Folge, die zu einem kritischen Zustand bezüglich Zahnflankenfressen führt.
• Es entspricht dem Stand der Technik, die Oberflächenhärte des Ritzels gegenüber der des Tellerrades höher zu wählen. Beispielhafte Werte sind beim Ritzel 63 HRC und beim Tellerrad 60 HRC Oberflächenhärte. Unterschiedliche Oberflächenhärten verringern die Affinität der kontaktierenden Oberflächen und reduzieren daher die Fressneigung. Ebenfalls die Verwendung eines vollsynthetischen Hypoidoels mit hoher Druck- und Scherfestigkeit (Tabelle 1) zur Verringerung der Fressneigung entspricht dem Stand der Technik. Beide Maßnahmen, unterschiedliche Oberflächenhärte und vollsynthetisches Hypoidoel, werden neben den erfindungsgemäßen Merkmalen bei dem erfindungsgemäßen, hochübersetzenden Kegelradgetriebe vorausgesetzt. Zur weiteren Reduzierung der Fressneigung werden die geschliffenen Zahnflanken des Tellerrades phosphatiert (Tabelle 2) und die geschliffenen Zahnflanken des Ritzels kugelgestrahlt (Tabelle 3).

  

  Tabelle 1

  

  Tabelle 2

  

  Tabelle 3
• 2) Zum dauerhaften Schutz der Zahnflanken vor Fressen, Pittings und Graufleckigkeit werden über dem Stand der Technik hinaus die Oberflächenkombination phosphatiert/kugelgestrahlt erfindungsgemäß im montierten Zustand im Getriebegehäuse unter Zugabe eines Hypoidoels nach Tabelle 1 einem mehrstündigen Einlaufprogramm unterzogen. Während des Einlaufens wird mit einem Bruchteil der Nennlast begonnen (z.B. 10%) um die Belastung in mehreren Schritten auf die Nennlast zu steigern. Falls während des Einlaufens die Nenndrehzahl verwendet werden soll, muss der Antrieb nach einigen Minuten abgeschaltet werden und anschließend aus dem Stillstand ein neuer Hochlauf stattfinden. Die Sequenz aus intervallartigen Hochläufen kann genutzt werden um abwechselnd mit Vorwärts- und Rückwärtslauf die Zug- und Schubflanken der Kegelradpaarung zu behandeln. Die Einlaufsequenz mit stufenweisem Anstieg des Antriebsdrehmomentes und wechselnden Drehzahlen stellt erfindungsgemäß eine Behandlung zur Glättung der Oberflächen dar, die nur durch ein Kegelrad mit seinem Gegenrad eine anwendungsgerechte Glättung ergibt.
• Im Stand der Technik wird die Anbindung der Ritzelzähne an der Ritzelferse akzeptiert oder sogar als steifigkeitserhöhender Vorteil betrachtet. Sie entsteht bei schneckenförmigen Ritzeln mit kleiner Zähnezahl dadurch, daß der Ritzelschaft aufgrund der erforderlichen, minimalen Lagergröße einen Durchmesser besitzt, der in der Regel um mindestens den zweifachen Normalmodul größer ist als der Durchmesser der Ritzelseele an der Ferse. Die Zahnlücken bzw. die Fräserschnittbahnen laufen aus der Ritzelferse in den Ritzelschaft, damit in der gesamten aktiven Zahnbreite, bis zur Ritzelferse, wälzfähige Zahnflanken erzeugt werden. Die dadurch entstehende Anbindung der Ritzelzähne am Ritzelschaft wird im Stand der Technik als akzeptabel, zuweilen sogar als vorteilhaft bewertet, tatsächlich handelt es sich jedoch um einen Nachteil, da der plötzliche Steifigkeitssprung nur eine elastische Verformung geringer Größe zulässt, bis erste Risse im Bereich der Ritzelferse ausgehend von den Zahnköpfen auftreten. Diese Risse pflanzen sich fort und führen zum Bruch meist unter einem Winkel von 45° (Schubspannungshypothese) durch die Zähne und die Ritzelseele.
• 3) Erfindungsgemäß beseitigt die nicht naheliegende Maßnahme eines Einstiches gemäß 5 die Gefahr von Rissen an der Fersenanbindung. Durch den Einstich wird die aktive Zahnbreite vom Auslaufgebiet der Fräserspuren und vom Ritzelschaft getrennt bzw. abgekoppelt. Durch die Entkoppelung des Ritzelkopfes und des Schaftes werden Spannungsspitzen an den Zahnköpfen bzw. Übergangspunkten zwischen Zähnen und Schaft vermieden. Da die Oberfläche des Einstiches keine Funktionsfläche ist, soll der Bereich des Einstiches erfindungsgemäß weich, also nicht gehärtet sein. Da der Elastizitätsmodul sich durch die Härteschicht nicht verändert, werden die Spannungen durch Biegung und Torsion von den Ritzelzähnen über die Ritzelseele durch das Kernmaterial unter dem Einstich optimal in den Ritzelschaft übertragen. Bei Stoßbelastungen oder Überlast wirkt sich der nicht Oberflächengehärtete Übergangsbereich des Einstiches wegen seiner größeren Duktilität vorteilhaft aus. Praktische Versuche an einem Ausführungsbeispiel haben gezeigt, daß Werkstücke mit einem weichen Einstich etwa 10fache Ritzeldrehmomente bis zum Bruch ertragen, verglichen mit Werkstücken ohne Einstich. Die Versuche zeigten auch, daß Werkstücke mit einem gehärteten Einstich bereits bei etwa 5fachen Ritzeldrehmomenten brechen. Die besten Resultate ergaben sich in Fällen, in denen der Einstich an der Ritzelferse nach dem Einsatzhärten durch Hartdrehen oder Schleifen angebracht wurde. Die Tiefe des Einstiches kann so festgelegt werden, daß der Grund des Einstiches dem des Zahnfußes an der Ferse entspricht. Eine geringere Tiefe ist ebenfalls möglich. Die Breite des Einstiches soll etwa der Tiefe des Einstiches entsprechen, die Radien zwischen dem Grund und den Seitenbegrenzungen des Einstiches sollen nicht kleiner als 1,0mm gewählt werden.
• Der Einsatz der erfindungsgemäßen Kegelradgetriebe erlaubt die wirtschaftliche Herstellung von einstufigen wartungsfreien Industriegetrieben, mit hohem Wirkungsgrad, was den Energieverbrauch solcher Getriebe reduziert.
• Die Verzahnungsdaten eines in den folgenden Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels sind in Tabelle 4 zusammengefasst.

  

  Tabelle 4
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Tabelle 4 handelt es sich um eine, bezüglich der Proportionen optimierte Verzahnung. Die Ritzelzahnhöhe an der Ferse beträgt 8,45mm (Standardzahnhöhe = 7,42mm). Die Ritzelseele wurde an der Ferse durch eine Profilverschiebung des Ritzels vom Standarddurchmesser 11,17mm auf 21,34mm vergrößert. Die doppelte Zahnhöhe an der Ritzelferse 2h beträgt bei dem Ausführungsbeispiel in 5 gleich 16,90mm. Die erfindungsgemäß angewandte ungewöhnliche Ritzelvergrößerung erfüllt somit die erfindungsgemäße Forderung eines Ritzelseelendurchmessers der größer/gleich der zweifachen Zahnhöhe ist: df1 2h 21,34 > 16,90
• Die vereinfacht errechnete Gleitgeschwindigkeit beträgt: vgl = dk1·π·n·sinβ1 38,16mm·π·1500 U/min·sin58,32° = 153 030mm/min
• Der Wert der Gleitgeschwindigkeit hat sich gegenüber dem, für die Standardproportionen errechneten Wert von 104'226mm/min um etwa 50% vergrößert, was auf die Vergrößerung der Ritzelseele und damit des Außendurchmessers an der Ferse zurückzuführen ist.
• Hochübersetzende Kegelradgetriebe besitzen gemäß dem Stand der Technik drei Probleme, die ihren Einsatz anstelle von Schneckengetrieben oder mehrstufigen Winkelgetrieben zur Übertragung von Leistung bisher verhindert haben.
• Übliche Auslegungen von Ritzeln mit ein bis vier Zähnen, die mit üblichen Profilverschiebungen ausgeführt werden, besitzen eine zu dünne Ritzelseele, die für die von den Zähnen übertragbaren Drehmomente keine Dauerfestigkeit besitzt. Erfindungsgemäß werden die Ritzel von hochübersetzenden Kegelradgetrieben mit einer unkonventionell großen Profilverschiebung versehen, die den Durchmesser der Ritzelseele an der Ferse auf mindestens die doppelte Zahnhöhe vergrößert.
• Die Gleitgeschwindigkeiten hochübersetzender Kegelradgetriebe führen insbesondere nach einer Ritzelvergrößerung zu Flankenschäden wie Fressen, Graufleckigkeit und Pittings. Erfindungsgemäß können diese Flankenschäden durch Kugelstrahlen des Ritzels, Phosphatieren des Tellerrades und eine anschließende Einlaufsequenz verhindert werden. Die Flanken können nach dem Härten durch Schleifen und/oder Läppen feinbearbeitet werden.
• Aufgrund der hohen übertragbaren Drehmomente von hochübersetzenden Kegelradgetrieben entstehen aus den geforderten Lagertragzahlen Ritzelschaftdurchmesser, die größer sind als die Durchmesser der Ritzelseele an der Ferse. Dieser Steifigkeitssprung führt zu Spannungsspitzen, die das Material in der Regel nicht Dauerfest erträgt und die somit zum Bruch zwischen Ritzelkopf und Ritzelschaft führen. Erfindungsgemäß löst ein Einstich zwischen der Ritzelferse und dem Ritzelschaft beziehungsweise dem Lagerschulterabsatz die Problematik, indem die Zähne vom Schaft abgekoppelt werden und die elastische Verbiegung nicht mehr behindert wird.
• Erfindungsgemäß führt die Kombination der drei Elemente Ritzelseele, Oberfläche und Einstich zu anforderungsgerechten, dauerfesten hochübersetzenden Kegelradgetrieben, die einen wirtschaftlichen Einsatz anstelle von mehrstufigen Getrieben oder Schneckengetrieben ermöglichen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
• 1 eine ebene Darstellung des dreizähnigen Ritzel, das zur Realisierung einer hohen Übersetzung verwendet wird,
• 2 eine ebene Darstellung eines hochübersetzenden Kegelradsatzes mit einem dreizähnigen Ritzel und einem 44 zähnigen Tellerrad, die miteinander im Eingriff stehen,
• 3 ein Stirnschnitt des Ritzels an der Ferse, worin der Kopfdurchmesser, die drei Ritzelzähne im Stirnschnitt und der Fußdurchmesser (Seelendurchmesser) abgebildet sind,
• 4 eine ebene Darstellung der Gleitgeschwindigkeitsvektoren eines hochübersetzenden Kegelradsatzes im Eingriffsgebiet der Tellerradflanken, projiziert in eine Achsschnittebene und
• 5 eine ebene Darstellung der Seitenansicht eines dreizähnigen, hochübersetzenden Kegelritzels mit einem Einstich zwischen Ritzelferse und Ritzelschaft
• 1 zeigt ein dreizähniges Ritzel in der Seitenansicht. Links des Einstiches 55 befindet sich der Ritzelkopf, mit drei Zähnen 22, die sich um den Grundkörper wickeln. Rechts des Einstiches befindet sich der Lagerschulterabsatz 56 mit der Lagerschulter 54. 53 ist ein Teil des Ritzelschaftes, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des vorderen Ritzellagers entspricht.
• Gemäß 2 befindet sich ein Ritzel 20 mit einem Tellerrad 21 in Eingriff. Die Ritzelzähne 22 winden sich wie bei einer Schnecke um den Ritzelgrundkörper. Die Tellerradzähne 23 sind bogenförmig auf dem Tellerradgrundkörper angebracht. Die Ritzelachse 24 besitzt gegenüber der Tellerradachse 25 einen Achsversatz 26. Der Achsversatz ist eine Folge des Spiralwinkelunterschiedes zwischen Ritzel und Tellerradzähnen. Der Ritzelspiralwinkel ergibt sich aus der Steigung, der sich gewindegangartig um den Ritzelgrundkörper windenden Zähne mit den Parametern Zähnezahl, Normalmodul und mittlerem Ritzeldurchmesser. Nur bei kleinen Spiralwinkeln, in der Regel solchen unter 35°, ist es möglich Kegelradpaarungen ohne Achsversetzung zu realisieren. Zähne mit einem Spiralwinkel von über 35° und insbesondere über 45° liefern auf dem leicht kegeligen und bei großen Zähnezahlen nahezu ebenen Tellerradgrundkörper des Tellerrades 21 exotische Zahnformen, die die Wälzfähigkeit des Tellerrades einschränken oder sogar verhindern. Da die Ritzel von hochübersetzenden Kegelradgetrieben Spiralwinkel zwischen 50° und 75° besitzen und die Tellerradspiralwinkel wesentlich kleiner gewählt werden müssen, ist es erforderlich die entstandene Diskrepanz der Spiralwinkel mittels einer Achsversetzung 26 auszugleichen. Selbst in Fällen, in welchen aus konstruktiven Gründen eine Achsversetzung nicht gefordert ist, muss der Versatz der Ritzelachse in Bezug auf die Tellerradachse in die Konstruktion eingearbeitet werden. Die Größe des Achsversatzes 26 hängt dabei lediglich von dem Spiralwinkelunterschied zwischen Ritzel und Tellerrad ab. Der Achsversatz 26 kann in Verbindung mit dem Spiralwinkel des Tellerrades so gewählt werden, daß die Abwälzbedingungen besonders günstig sind. Ebenfalls besteht die Möglichkeit in Fällen von konstruktiven Restriktionen einen Achsversatz festzulegen, der die konstruktiven Forderungen erfüllt und der gleichzeitig zu guten beziehungsweise akzeptablen Abwälzbedingungen führt.
• 3 zeigt die Ansicht eines Stirnschnittes des Ritzels in Höhe der Ferse. 30, 31 und 32 sind die Fersenschnitte der drei Zähne des Ausführungsbeispiels. Der Kopfdurchmesser (Außendurchmesser) 33 begrenzt die Zähne außen. Die Ritzelseele 34 ist der Fußdurchmesser der Zähne. Der Unterschied zwischen dem Kopfdurchmesser 33 und den See lendurchmesser 34 entspricht der doppelten Zahnhöhe 2h. Das Ziel einer Ritzelprofilverschiebung ist es den Seelendurchmesser sowie den Kopfdurchmesser gleichermaßen zu vergrößern, bis der Seelendurchmesser gleich oder größer der doppelten Zahnhöhe 2h ist. Berechnungen, die durch praktische Versuche abgesichert sind haben gezeigt, daß die Kernbruchfestigkeit der Ritzelseele erst im dauerfesten Bereich liegt, wenn bei Leistungsverzahnungen des Modulbereiches 2mm und darüber, die Ritzelseele mindestens der doppelten Zahnhöhe 2h entspricht.
• In 4 ist die Berandung eines Tellerradzahnes 40 des Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen hochübersetzenden Kegelradgetriebes als Achsschnittprojektion dargestellt. Die obere begrenzende Linie 41 ist der Zahnkopf des Tellerradzahnes. Die untere begrenzende Linie 42 ist der Zahnfuß des Tellerradzahnes. Die rechte begrenzende Linie 43 ist die Zehe des Tellerradzahnes, sie liegt am kleinen Durchmesser des kegelförmigen Grundkörpers 21 des Tellerrades. Die linke begrenzende Linie 44 ist die Ferse des Tellerradzahnes, sie liegt am großen Durchmesser des kegelförmigen Grundkörpers 21 des Tellerradzahnes. Der Tellerradzahn 40 ist eine Achsschnittprojektion, die als Ebene Darstellung der relativen Gleitgeschwindigkeitsvektoren dient, die zwischen der konvexen Tellerradflanke und der konkaven Ritzelflanke auftreten. Die realen Gleitgeschwindigkeiten liegen in der jeweiligen Tangentialebene der momentanen Berührzone von Ritzel und Tellerrad während des Abwälzens und sind zur besseren Anschaulichkeit in die ebene Darstellung des Tellerradzahnes 40 projiziert. An einer Anzahl von 81 Punkten sind als gerade Linien die Gleitgeschwindigkeitsvektoren 45, des in Tabelle 4 definierten Ausführungsbeispieles eingezeichnet. Die Berechnung und Darstellung der Gleitgeschwindigkeitsvektoren beschränkt sich bei der in 4 gezeigten Graphik auf den Flankenbereich von der Ferse bis etwas über die mittlere Zahnbreite hinaus. Relatives Gleiten besteht über die gezeichneten Gleitgeschwindigkeitsvektoren hinaus in allen Flankenbereichen in denen Kontakt zwischen Ritzel- und Tellerradflanken existiert. Die maximale Gleitgeschwindigkeit ergibt sich durch die Multiplikation des längsten Gleitgeschwindigkeitsvektors 46, am Zahnfuß des Tellerrades mit einem Maßstabsfaktor 47. Für das Ausführungsbeispieles ergibt sich für den maximalen Gleitgeschwindigkeitsvektor eine Gleitgeschwindigkeit von 3,9cm·0,56m/s/cm = 2,18m/s oder umgerechnet 131'040mm/min, was deutlich unter dem, im Abschnitt Beschreibung näherungsweise errechneten Wert von 153'030mm/min liegt. Die Berechnung der Gleitgeschwindigkeitsvektoren in 4 wurden mittels exakt berechneter Flankenpunkte und der korrekten relativen Achslage von Ritzel und Tellerrad für eine Ritzeldrehzahl von n = 1500 U/min ermittelt. Die genaue Berücksichtigung der Flankengeometrien und des maximalen, überdeckten Flankenbereiches zwischen Ritzel und Tellerrad ist die Ursache für die ca. 17%ige Abweichung der Näherungslösung vom exakten Gleitgeschwindigkeitswert. Die größten Gleitgeschwindigkeiten bestehen bei hochübersetzenden Getrieben an den Kopfkanten der Ritzelzähne an der Ferse. Die Region der höchsten Gleitgeschwindigkeit Ritzelkopf-Ferse besitzt Wälzkontakt mit der Region Tellerradfuß-Ferse und wird daher korrekt in Lage und Größe vom Gleitgeschwindigkeitsvektor 46 repräsentiert.
• In 5 ist die Seitenansicht eines hochübersetzenden Ritzels 50 dargestellt. Die aktive Zahnbreite erstreckt sich von der Zehe 51 bis zur Ferse 52. Der Durchmesser des Ritzelschaftes 53 ergibt sich aus dem Innendurchmesser der Lager, die mit ihren Tragzahlen aus den dauerfest zu übertragenden Drehmomenten und Drehzahlen festgelegt werden. Eine Lagerschulter 54 ist zur Positionierung der Lager und zur Übertragung der Axialkräfte erforderlich. Der erfindungsgemäße Einstich 55 trennt die Ritzelzähne und ihre Anbindung am Lagerschulterabsatz 56. Der zum Herstellen der Zahnlücken verwendete Fräser hinterlässt Auslaufspuren, die von der Ferse 52 bis in den Lagerschulterabsatz 56 und in manchen Fällen sogar bis in den Ritzelschaft 53 reichen. Die Zerschneidung von Lagerschulter 56 und Ritzelschaft 53 durch die Fräserauslaufspuren ist in der Regel zulässig. Der erfindungsgemäße Einstich 55 trennt den aktiven Zahnbereich und den Lagerschulterabsatz beziehungsweise den aktiven Zahnbereich und den Ritzelschaft im Bereich der Fräserauslaufspuren. Die Tiefe des erfindungsgemäßen Einstiches 55 geht bis zum Zahnfuß (Ritzelseele) oder endet geringfügig darüber. Eine deutlich geringere Tiefe des Einstiches 55 ist ebenfalls möglich, dabei muss der Einstich lediglich etwa 1mm unter den Durchmesser des Ritzelschaftes 53 beziehungsweise den Durchmesser des Lagerschulterabsatzes 56 beziehungsweise den Durchmesser des Kopfkegels 59 reichen um bereits einen positiven Einfluss auf die Riss- beziehungsweise Bruchverhinderung zu besitzen. Die optimale Geometrie des Einstiches 55 kann im Einzelfall, abhängig von der jeweiligen Konstruktion durch Berechnungen oder Versuche bestimmt werden. Die Rundungsradien in den beiden Ecken 57 und 58 des Einstiches 55 sollen größer als 1mm ausgeführt werden. Ein voll ausgerundeter Grund des Einstiches 55, der der halben Breite des Einstiches 55 entspricht ist ebenfalls möglich. Die der Lagerschulter 56 zugewandte Seite 60 des Einstiches 55 soll, wenn es die Konstruktion erlaubt vorteilhafterweise als Schräge ausgeführt werden. Dadurch wird eine günstigere Kraftübertragung zwischen dem Ritzel 50 und dem Ritzelschaft 53 erreicht.

Claims (17)

1. Hochübersetzendes Kegelradgetriebe nach dem Einzelteilverfahren hergestellt, mit Ritzelzähnezahlen zwischen 1 und 4 welches einen Achsversatz zwischen den Drehachsen von Ritzel und Tellerrad besitzt und dessen Ritzel als eine kegelige Schnecke ausgeführt ist, die im wälzenden Verfahren hergestellt wurde, während das Tellerrad formverzahnt ist, dadurch gekennzeichnet, daß – der Seelendurchmesser des Ritzels an der Ferse mindestens der doppelten Zahnhöhe an der Ferse entspricht, – Ritzel und Tellerrad einer Einlaufprozedur unterzogen werden bei der mit einem Bruchteil des Nenndrehmomentes begonnen wird und eine Steigerung des Drehmomentes stattfindet, – ein Einstich die Ritzelzähne und ihre Anbindung am Lagerschulterabsatz beziehungsweise dem Ritzelschaft trennt.
2. Kegelradgetriebe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken des Ritzels phosphatiert und die Flanken des Tellerrades kugelgestrahlt sind.
3. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken des Ritzels kugelgestrahlt und die Flanken des Tellerrades phosphatiert sind.
4. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken von mindestens einem der beiden Laufpartner mit einer PVD Hartstoffbeschichtung versehen wird.
5. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken des Ritzels kugelgestrahlt und anschließend mit einer PVD Harstoffbeschichtung versehen werden und die Flanken des Tellerrades phosphatiert sind.
6. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaufen in mehreren Stufen, beginnend bei kleineren Lasten vorgenommen wird.
7. Kegelradgetriebe nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Laststufe abwechselnd die eine Drehrichtung für einige Minuten betrieben wird und anschließend die entgegengesetzte Drehrichtung für einige Minuten betrieben wird.
8. Kegelradgetriebe nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hoch- und Runterlauf beim Wechsel der Drehrichtung durch Abschalten der Antriebsmaschine mit oder ohne zusätzliches Bremsmoment erfolgt.
9. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaufen stufenlos, beginnend bei kleinen Lasten vorgenommen wird.
10. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der trennende Einstich zwischen Ritzelferse und Lagerschulterabsatz beziehungsweise Ritzelschaft nicht einsatzgehärtet ist.
11. Kegelradgetriebe nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der trennende Einstich zwischen Ritzelferse und Lagerschulterabsatz beziehungsweise Ritzelschaft erst nach der Härteoperation durch Hartbearbeitung angebracht wird.
12. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der trennende Einstich zwischen Ritzelferse und Lagerschulterabsatz beziehungsweise Ritzelschaft mit seiner Tiefe bis zum Zahngrund an der Ferse reicht.
13. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der trennende Einstich zwischen Ritzelferse und Lagerschulterabsatz beziehungsweise Ritzelschaft eine Tiefe besitzt die mindestens 1mm unter den Durchmesser des Ritzelschaftes beziehungsweise des Lagerschulterabsatz reicht.
14. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der trennende Einstich zwischen Ritzelferse und Lagerschulterabsatz beziehungsweise Ritzelschaft mit seiner Tiefe unter den Zahngrund an der Ferse reicht.
15. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der trennende Einstich zwischen Ritzelferse und Lagerschulterabsatz beziehungsweise Ritzelschaft eine Breite besitzt, die mindestens 1mm beträgt.
16. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der trennende Einstich zwischen Ritzelferse und Lagerschulterabsatz beziehungsweise Ritzelschaft Eckenrundungsradien besitzt.
17. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Seiten des trennenden Einstichs zwischen Ritzelferse und Lagerschulterabsatz beziehungsweise Ritzelschaft nicht senkrecht zur Drehachse sondern mit einem Winkel schräg zur Drehachse gefertigt sind.