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Die
Erfindung betrifft ein Zahnrad.
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Zahnräder werden
in den vielfältigsten
Anwendungsbereichen zur Momentübertragung
eingesetzt. Sie dienen hierbei nicht nur der Momentübertragung,
sondern auch der Anpassung von Umdrehungsgeschwindigkeiten insbesondere
durch Über- und
Untersetzungen und zur Änderung
des Drehmoments. Aus Zahnrädern
bestehende Getriebe lassen sich in praktisch allen Bereichen der
Technik und Mechanik finden. Insbesondere im Maschinen- und Fahrzeugbau
sind Zahnräder
unverzichtbare Bestandteile der Moment- beziehungsweise Kraftübertragung.
Mit zunehmender Betriebsdauer solcher Getriebe beziehungsweise Zahnradpaarungen
erwärmen
sich die Komponenten der Zahnradverbindung beziehungsweise des Getriebes
durch das Abwälzen
der Zahnflanken aufeinander, wobei Reibungsverluste in Wärme umgesetzt
werden. Durch die thermischen Eigenschaften der verwendeten Materialien ändert sich
die Ausdehnung und/oder Geometrie der beteiligten Elemente, insbesondere
der Zahnräder
selbst. Hierdurch kommt es zu einer Änderung des Flankenspiels,
insbesondere zu einer Vergrößerung des
Flankenspiels, die zu unruhigem Lauf und zu Geräuschentwicklung der Zahnradverbindung
führt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Zahnrad bereitzustellen, das in bekannten
Zahnradverbindungen die genannten Nachteile vermeidet.
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Hierzu
wird ein Zahnrad mit einem Zentralkörper und radial von dem Zentralkörper ausgehenden
Zähnen
vorgeschlagen, wobei mindestens zwei konzentrisch und axial zueinander
angeordnete sowie zueinander winkelverdrehbare Teilzahnräder vorgesehen
sind, deren Zentralkörper über ein
temperaturabhängiges,
durch Temperaturänderung
eine Winkelverdrehung bewirkendes Kuppelelement miteinander gekuppelt
sind. Das Zahnrad weist demzufolge Teilzahnräder auf, die zueinander bei
gleichbleibend konzentrischer Anordnung winkelverdrehbar sind. Die
Teilzahnräder
sind hierbei über
das Kuppelelement miteinander gekuppelt; das Kuppelelement bewirkt
demzufolge die Momentübertragung
zwischen den Teilzahnrädern.
Das Kuppelelement ist hierbei temperaturabhängig ausgestaltet, dergestalt,
dass es zwischen den Teilzahnrädern
in Abhängigkeit
von der Temperatur eine Winkelverdrehung der Teilzahnräder relativ
zueinander bewirkt. Es ist hierbei möglich, beide Teilzahnräder mit
gleicher Zahnzahl und gleicher Zahngeo metrie auszubilden, also insbesondere
dergestalt, dass die einzelnen Zähne
der Teilzahnräder
dieselbe Zahnweite, dieselbe Zahndicke, denselben Eingriffwinkel
et cetera aufweisen. Es kann aber auch eines der Teilzahnräder dergestalt ausgestaltet
sein, dass es eine andere Zahngeometrie oder eine andere Zahnzahl
aufweist. Durch eine Winkelverdrehung der Teilzahnräder zueinander ändert sich
die effektive Zahngeometrie, insbesondere die effektiv wirksame
Zahndicke. Dies wird dadurch bewirkt, dass die Zähne der Teilzahnräder nicht
mehr mit sich überdeckenden
Querschnitten eine einheitliche Zahnflanke ausbilden, sondern die
Zahnflanken der Teilzahnräder
stufig zueinander versetzt sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass eines der Teilzahnräder drehfest auf einer Welle
angeordnet ist und dass das andere Teilzahnrad drehbar auf der Welle
lagert. Das eine Teilzahnrad erhält
seine Momentbeaufschlagung folglich direkt über die Welle, während das
andere Teilzahnrad drehbar auf der Welle lagert. Die Momentbeaufschlagung
dieses anderen, drehbar auf der Welle lagernden Teilzahnrades erfolgt über das
Kuppelelement durch das erste, drehfest mit der Welle verbundene
Teilzahnrad, nicht durch die Welle.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das Kuppelelement ein Spiralkuppelelement oder
ein Kreisbogenkuppelelement ist. Das Kuppelelement ist in der Form
einer Spirale beziehungsweise eines Spiralabschnittes ausgebildet, also
dergestalt, dass der Radius bei Beginn der Spirale ein anderer ist
als am Ende der Spirale, wobei aber die einzelnen Gänge beziehungsweise
Teilgänge
der Spirale in einer Ebene liegen, oder als Kreisbogen, also im
Wesentlichen radiusgleich.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das Kuppelelement mit seinen beiden Stirnenden
jeweils eines der Teilzahnräder
beaufschlagt. Ein Stirnende beaufschlagt demzufolge das eine, das
andere Stirnende das andere Teilzahnrad. Auf diese Weise lässt sich
eine in beide Laufrichtungen funktionierende Kupplung der Teilzahnräder bewirken.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Teilzahnräder gleiche oder unterschiedliche
Stärke
aufweisen. Die Zahnbreite ist demzufolge nicht gleich, sondern unterschiedlich, wobei
jedes der Teilzahnräder
eine andere Zahnbreite aufweist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das Kuppelelement aus einem Kunststoff besteht.
Kunststoffe bieten vielfältige
Möglichkeiten,
um die Spezifikatio nen eines Werkstückes in weiten Grenzen frei
bestimmen zu können.
Sie sind überdies
leicht zu bearbeiten und relativ kostengünstig. Auf diese Weise lässt sich
das Kuppelelement vorteilhaft mit den gewünschten Eigenschaften herstellen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist das Kuppelelement einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, der zu dem mindestens einen Teilzahnrades verschieden ist.
Durch diese Ausgestaltung lässt sich
die thermisch bedingte Winkelverschiebung der beiden Teilzahnräder leicht
bewerkstelligen, da die Änderung
der Ausdehnung des Kuppelelements eine andere ist als die des mindestens
einen Teilzahnrades und insoweit eine Längenänderung des Kuppelelements
eine Verschiebung der beiden Teilzahnräder zueinander bewirkt. Vorzugweise
weist der Werkstoff des Kuppelelements einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als derjenige des Teilzahnrades auf; die Wärmeausdehnung des Kuppelelements
ist demzufolge größer als
die des Teilzahnrades, es wird eine relativ zur Wärmeausdehnung
des Kuppelelements größere Längenänderung
des Kuppelelements und damit über
die Beaufschlagung der Teilzahnräder über die
Stirnenden des Kuppelelements eine Winkelverdrehung der Teilzahnräder relativ
zueinander bewirkt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Teilzahnräder
randoffene Ausnehmungen auf, in denen das Kuppelelement einliegt.
Die Ausnehmungen sind bevorzugt im Zentralkörper angeordnet, wobei sich
die Ausnehmungen der beiden Teilzahnräder gegenüberliegen. Das Kuppelelement liegt
in den randoffenen Ausnehmungen ein, dergestalt, dass das eine Stirnende
des Spiralkuppelelements von dem einen Teilzahnrad, das andere Stirnende
von dem anderen Teilzahnrad beaufschlagt wird und sich jeweils an
diesem abstützt.
Die Kupplung der beiden Teilzahnräder erfolgt auf diese Weise im
Betrieb verdeckt, das Kuppelelement befindet sich zwischen den beiden
Teilzahnrädern
und wird von diesen gewissermaßen
eingeschalt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist das Kuppelelement aus einem Werkstoff gebildet, der einen anderen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
als mindestens eines der Teilzahnräder aufweist, und der zur Ausbildung
des Kuppelelements in die randoffenen Ausnehmungen eingespritzt
wird, wobei die Teilzahnräder
eine Spritzform ausbilden. Das Kuppelelement wird demzufolge nicht
als separates, fertiges Bauteil beziehungsweise Halbzeug in die
randoffenen Ausnehmungen eingebracht, sondern durch Einspritzen
des Werkstoffes des Kuppelelements in eben diesen randoffenen Ausnehmungen
hergestellt. Dies kann besonders vorteilhaft bei der Montage des
Zahnrades, also dem Zusammenfügen
der beiden Teilzahnräder
erfolgen und führt
zu einer erhebli chen Einsparung an Verfahrensschritten und damit
zu einer erheblichen Kostenreduzierung.
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Es
wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines aus zwei Teilzahnrädern bestehenden
Zahnrades vorgeschlagen. Es ist vorgesehen, dass zur Ausbildung
eines zwischen den Teilzahnrädern
in randoffenen Ausnehmungen angeordneten Kuppelelements ein Werkstoff
in die randoffene Ausnehmungen der Teilzahnräder eingespritzt wird, wobei
die Teilzahnräder
eine Spritzform ausbilden. Das Zahnrad ist demzufolge nach Einspritzen
des Werkstoffes, der das Kuppelelement ausbildet, fertig gestellt.
Ein Trennen der Teilzahnräder
und eine Nachbearbeitung kann erfolgen, ist aber nicht erforderlich.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform kämmt das
Zahnrad mit einem weiteren Zahnrad. Änderungen im Flankenspiel,
wie sie beispielsweise erwärmungsbedingt
nicht nur durch die thermische Ausdehnung der Zahnräder, sondern
insbesondere auch durch eine Änderung
von zwischen Achsen der miteinander kämmenden Zahnräder bestehenden Achsabständen erfolgt,
werden durch die Winkelverdrehung der Teilzahnräder und die hierdurch bewirkte Änderung
der effektiv wirksamen Zahnbreite ausgeglichen. Vergrößert sich
beispielsweise erwärmungsbedingt
der Achsabstand der beiden miteinander kämmenden Zahnräder, findet
eine Winkelverdrehung der Teilzahnräder des einen Zahnrades statt,
die um so größer ausfällt, je
stärker
die Erwärmung
ist (wobei dem durch Erwärmung
größer werdenden
Achsabstand Rechnung getragen wird). Das sich verdrehende Teilzahnrad
wirkt hierbei als Kompensationszahnrad, das bei der Veränderung
des Achsabstands linear angepasster Kompensation das Flankenspiel
null hält
oder bei Überkompensation durch
eine Vergrößerung der
effektiv wirksamen Zahnbreite über
das erforderliche Maß hinaus
sogar zu einer Verspannung und damit Überkompensation führt. Hierdurch
ist ein dauernder Eingriff der Zähne gewährleistet,
so das kein unzulässiges
Flankenspiel besteht und demzufolge ein ruhiger Lauf der Zahnräder im Betrieb
gesichert ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
Querschnittsdarstellung eines aus zwei Teilzahnrädern bestehenden Zahnrades,
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2 einen
Längsschnitt
eines Getriebes und
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3 eine
Detaildarstellung zweier Zähne.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Zahnrad 1,
das mit einem zweiten Zahnrad 2 kämmt und hierbei ein Getriebe 3 ausbildet.
Das Zahnrad 1 und das zweite Zahnrad 2 weisen
jeweils Zähne 4 auf,
von denen der besseren Übersicht
wegen nur die zum Verständnis
der Erfindung erforderlichen dargestellt sind. Die Zähne 4 des
Zahnrads 1 und des zweiten Zahnrad 2 weisen jeweils
Flanken 5 auf, die an ihrer Flankenlinie 6 einen
Wälzzylinder 7,
im Schnitt dargestellt durch einen Wälzkreis 8, ausbilden.
Das Zahnrad 1 und das zweite Zahnrad 2 sind als
außenverzahnte
Stirnräder 9 mit
Geradverzahnung 10 ausgebildet. Die Zähne 4 des Zahnrads 1 weisen
hierbei eine Zahndicke s auf, wobei zwischen den Zähnen 4 des
Zahnrads 1 eine Lückenweite
e besteht, jeweils bezogen auf den Wälzkreis 8. Das Zahnrad 1 und das
zweite Zahnrad 2 weisen einen Zentralkörper 11 auf, auf dem
außenumfangsseitig
die Zähne 4 angeordnet
sind. Über
den Zentralkörper 11 erfolgt
die Verbindung mit einer ersten Welle 32 zur Momentübertragung.
Das Zahnrad 1 ist längsgeteilt
(siehe nachfolgende 2) so dass sich zwei Teilzahnräder 12 ergeben.
Von den Teilzahnrädern 12 ist
das eine, erste Teilzahnrad 13 drehfest auf der ersten
Welle 32 angeordnet, wohingegen das andere, zweite Teilzahnrad 14 drehbar
auf der ersten Welle 32 lagert. Das erste Teilzahnrad 13 ist
mit dem zweiten Teilzahnrad 14 durch ein Kuppelelement 15 verbunden, das
als Spiralkuppelelement 16 in einer in dem Zentralkörper 11 des
zweiten Teilzahnrads 14 angeordneten Ausnehmung 35 angeordnet
ist, und dessen eines, inneres Stirnende 17 eine exzentrisch
angeordnete, bevorzugt auf einem Radius liegende innere Abstützfläche 18 des
ersten Teilzahnrads 13 beaufschlagt. Die innere Abstützfläche 18 ist
folglich an dem ersten Teilzahnrad 13 drehfest angeordnet,
insbesondere einstückig
zu diesem ausgebildet. Das andere, äußere Stirnende 19 des
Spiralkuppelelements 16 stützt sich an einer äußeren Abstützfläche 20 ab,
die mit einem größeren Radialabstand
zu einer ersten Drehachse 21 des Zahnrads 1 an
dem Zentralkörper 11 des
zweiten Teilzahnrads 14 ausgebildet ist und somit die Ankopplung
des zweiten Teilzahnrads, das drehbar auf der Welle lagert, an das mit
dieser drehfest verbundene erste Teilzahnrad 13 bewirkt.
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Das
zweite Zahnrad 2 weist eine zweite Drehachse 22 auf,
wobei zwischen der ersten Drehachse 21 und der zweiten
Drehachse 22 ein Achsabstand a besteht.
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Durch
Erwärmung
im Betrieb des Getriebes 3 kann sich der Achsabstand a
verändern,
insbesondere vergrößern. Hierdurch
ergibt sich zwischen den Zähnen 4 des
Zahnrads 1 und des zweiten Zahnrads 2 ein vergrößertes Flankenspiel.
Durch das Spiralkuppelelement 16, das aus einem Kuppelelementmaterial 23 besteht,
das einen solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, dass es seine Längenausdehnung
(nämlich
entlang der Spiralrichtung) bei Erwärmung vergrößert, wird das zweite Teilzahnrad 14 gegen
das erste Teilzahnrad 13 um einen Winkel y verschoben,
so dass sich die bislang allein durch die Zahndicke s bestimmte
effektiv wirksame Zahndicke Seff vergrößert, so
dass sich eine Rechtsflanke 24 eines ersten Zahnes 25 des
Zahnrads 1 an einer rechten Gegenflanke 26 eines
ersten Gegenzahns 27 des zweiten Zahnrads 2 abstützt, wobei
der erste Zahn 25 dem zweiten Teilzahnrad 14 zugehörig ist,
das gegenüber
dem ersten Teilzahnrad 13 um den Winkel y winkelverschoben
ist. Eine Linksflanke 28 eines zweiten Zahns 29,
der dem ersten Teilzahnrad 13 zugehörig ist, stützt sich an einer linken Gegenflanke 30 eines
zweiten Gegenzahns 31 des zweiten Zahnrads 2 ab.
Die effektiv wirksame Zahndicke Seff wird
folglich nicht durch einen Zahn 4 des Zahnrads 1 bewirkt,
sondern durch zueinander leicht verschobene Zähne 4, nämlich den
ersten Zahn 25, der auf dem zweiten Teilzahnrad 14 angeordnet
ist, und den zweiten Zahn 29, der auf dem ersten Teilzahnrad 13 angeordnet
ist, wobei die Winkelverschiebung um den Winkel y durch die thermische Ausdehnung
des Spiralkuppelelements 16 bewirkt wird, das sich einerseits
mit seinem inneren Stirnende 17 an der inneren Abstützfläche 18,
welche drehfest mit dem ersten Teilzahnrad 13 ausgebildet
oder angeordnet ist, andererseits mit seinem äußeren Stirnende 19 an
der äußeren Abstützfläche 20 abstützt, die
innenumfangsseitig an dem Zentralkörper 11 des zweiten
Teilzahnrads 14 ausgebildet ist. Die effektiv wirksame
Zahndicke seff ist folglich die Summe der Zahndicke
SeZ des ersten Zahns 25 und der
Zahndicke SzZ des ersten Zahns 29 abzüglich der
Länge der Überdeckung
des ersten Zahns 25 und des zweiten Zahns 26 im
Bereich des Wälzkreises 8.
Auf diese Weise lässt
sich das Flankenspiel zwischen dem Zahnrad 1 und dem zweiten
Zahnrad 2 ausgleichen; durch eine relativ zum Flankenspiel
stärkere
Winkelverschiebung y (bewirkt durch eine stärkere Längendehnung des Spiralkuppelelements 16)
lässt sich eine Überkompensation
erreichen, so dass eine Verspannung zwischen den Zähnen 4 des
zweiten Zahnrads 2 und den um den Winkel y verschobenen
Zähnen 4 des
Zahnrads 1 (nämlich
der ersten Zähne 25 und
der zweiten Zähne 29 des
ersten Teilzahnrads 13 respektive des zweiten Teilzahnrads 14)
erreichen lässt.
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2 zeigt
die in 1 beschriebene Anordnung im Längsschnitt. Das erste Zahnrad 1 ist hierbei
auf einer ersten Welle 32 angeordnet, wobei das zweite
Teilzahnrad 14 drehbar auf der ersten Welle 32 lagert,
wohingegen das erste Teilzahnrad 13 drehfest mit der ersten
Welle 32 verbunden ist. Die Teilzahnräder 12 weisen jeweils
die einander zugewandten Ausnehmungen 35 auf, in die das
Spiralkuppelelement 16 eingebracht ist. Die erste Welle 32 weist
mit ihrer ersten Drehachse 21 zu einer zweiten Welle 33,
mit ihrer zweiten Drehachse 22 auf der drehfest das zweite
Zahnrad 2 lagert, den Achsabstand a auf. Die Zähne 4 des
Zahnrads 1 und des zweiten Zahnrads 2 befinden
sich in einem Eingriff 34. Hierbei ergibt sich bei Änderung
des Achsabstand a, insbesondere seiner Vergrößerung, eine Änderung
des bereits zu 1 beschriebenen Flankenspiels
der Zähne 4 innerhalb
des Eingriffs 34, der durch die zu 1 beschriebene
Verdrehung des zweiten Teilzahnrads 14 relativ zum ersten
Teilzahnrad 13 um den Winkel y kompensiert wird.
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Insbesondere
bei Getrieben, die geradverzahnte Zahnräder 1, 2 aufweisen,
lässt sich
hierdurch eine sehr gute Laufruhe bewirken. Vorteilhaft wird das
Zahnrad 1 hierbei so ausgelegt, dass sowohl das erste Teilzahnrad 13 als
auch das zweite Teilzahnrad 14 eine ausreichende Stabilität im Bereich
der Zahnflanken aufweisen. Die Erfindung kann aber vorteilhaft auch
bei anderen Verzahnungen eingesetzt werden, beispielsweise bei Schräg-, Pfeil-,
Bogen- und Spiralverzahnungen, und zwar von Stirnrädern, Hohlrädern und
Kegelrädern.
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3 zeigt
ausschnittsweise die Änderung der
effektiv wirksamen Zahnbreite Sf bei Verdrehung des
zweiten Teilzahnrads 14 relativ zu dem hier aufgrund der
flächigen Überdeckung
nicht sichtbaren ersten Teilzahnrad 13. Hierzu sind einzeln
dargestellt der erste Zahn 25, der auf dem zweiten Teilzahnrad 14 angeordnet
ist, und der zweite Zahn 29, der auf dem ersten Teilzahnrad 13 angeordnet
ist. Das zweite Teilzahnrad 14 ist gegenüber dem
ersten Teilzahnrad 13 um den Winkel y verdreht. Hierdurch
liegen der erste Zahn 25 und der zweite Zahn 29,
die jeweils auf dem Wälzkreis 8 die
Zahndicke s aufweisen, nicht mehr fluchtend hintereinander. Auf
dem Wälzkreis 8 ergibt
sich die effektiv wirksame Zahndicke seff als
die Summe der beiden Zahndicken s (nämlich des ersten Zahns 25 und
des zweiten Zahns 29) abzüglich der auf dem Wälzkreis 8 noch
erfolgenden Überdeckung (als
Wälzkreisabschnitt
x, also seff = 2·s – x), für den Fall, dass der erste
Zahn 25 und der zweite Zahn 29 denselben Querschnitt
aufweisen, mithin also auf dem Wälzkreis 8 dieselbe
Zahndicke s besitzen. Für den
Fall abweichender Zahngeometrie ergibt sich die effektiv wirksame
Zahndicke seff als Summe der Zahndicke des
ersten Zahns seZ plus der Zahndicke des
zweiten Zahns szZ abzüglich der Überdeckung auf dem Wälzkreis 8 als
Wälzkreisabschnitt
x.
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- 1
- Zahnrad
- 2
- zweites
Zahnrad
- 3
- Getriebe
- 4
- Zähne
- 5
- Flanken
- 6
- Flankenlinie
- 7
- Wälzzylinder
- 8
- Wälzkreis
- 9
- außenverzahntes
Stirnrad
- 10
- Geradverzahnung
- 11
- Zentralkörper
- 12
- Teilzahnrad
- 13
- erstes
Teilzahnrad
- 14
- zweites
Teilzahnrad
- 15
- Kuppelelement
- 16
- Spiralkuppelelement
- 17
- inneres
Stirnende
- 18
- innere
Abstützfläche
- 19
- äußeres Stirnende
- 20
- äußere Abstützfläche
- 21
- erste
Drehachse
- 22
- zweite
Drehachse
- 23
- Kuppelelementmaterial
- 24
- Rechtsflanke
- 25
- erster
Zahn
- 26
- rechte
Gegenflanke
- 27
- erster
Gegenzahn
- 28
- Linksflanke
- 29
- zweiter
Zahn
- 30
- linke
Gegenflanke
- 31
- zweiter
Gegenzahn
- 32
- erste
Welle
- 33
- zweite
Welle
- 34
- Eingriff
- 35
- Ausnehmung
- s
- Zahndicke
- e
- Lückenweite
- a
- Achsabstand
- seff
- effektiv
wirksame Zahndicke
- seZ
- Zahndicke
des ersten Zahns
- szZ
- Zahndicke
des zweiten Zahns
- x
- Wälzkreisabschnitt