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Die
Erfindung betrifft ein Getriebe zur Übertragung mechanischer Leistung
von einer treibenden Welle auf eine getriebene Welle durch ineinandergreifende
Zahnkränze
(Zahnradgetriebe).
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Bei
Zahnradgetrieben kann es im belasteten Zustand aufgrund der dann
auftretenden Verzahnungskräfte
zu einer Auslenkung der treibenden Welle kommen. Aus dem Stand der
Technik ist es daher bekannt, neben wenigstens einem ersten Getriebelager
zur ständigen
Lagerung der treibenden Welle ein zweites Getriebelager vorzusehen,
das zur zeitweisen Lagerung der treibenden Welle bei Übersteigen einer
bestimmten Belastung des Getriebes dient. Dabei ist das zweite Getriebelager
ausgebildet zur Begrenzung einer radialen Auslenkung der treibenden Welle
in einer einzigen, senkrecht zu der Achse der treibenden Welle verlaufenden
ersten Auslenkrichtung.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bei einem solchen
Zahnradgetriebe unter Last auftretenden Wirkungsgradänderungen
zu verringern.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Danach ist es vorgesehen, dass das zweite Getriebelager zugleich
auch zur Begrenzung radialer Auslenkungen der treibenden Welle in
einer Vielzahl ebenfalls senkrecht zu der Achse der treibenden Welle
verlaufender zweiter Auslenkrichtungen ausgebildet ist, die nicht mit
der ersten Auslenkrichtung übereinstimmen.
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Somit
werden Auslenkungen der treibenden Welle in sehr viel mehr radialen
Richtungen begrenzt als bisher. Dadurch, dass übermäßige Auslenkungen der treibenden
Welle wirkungsvoll verhindert werden, kommt es nur zu geringen Verschiebungen
der Berührflächen der
Zahnflanken. Dies wirkt sich positiv auf die Reibverhältnisse
der ineinander greifenden Zahnflan ken und damit auf den Wirkungsgrad
des Getriebes aus. Im Ergebnis wird ein sehr präziser Zahneingriff mit vergleichsweise
geringen Abweichungen erreicht. Die unter Last auftretenden Wirkungsgradänderungen
sind deutlich reduziert.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüche angegeben.
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Besonders
vorteilhaft ist die Erfindung bei Zahnradgetrieben mit sich kreuzenden,
d. h. nicht in einer Ebene liegenden Achsen einsetzbar. Dies ist bei
Schraubenradgetrieben und Schneckenradgetrieben der Fall. Der Achsenwinkel
beträgt
dabei in der Regel 90°.
Sowohl Schraubenrad- als auch Schneckenradgetriebe sind Schraubwälzgetriebe, die
sich sehr gut zur Bewegungsübertragung
bei hohen Kräften
eignen.
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Besonders
vorteilhaft ist die Erfindung bei Zahnradgetrieben einsetzbar, deren
Getriebelager zu unterschiedlichen Seiten des Zahneingriffs angeordnet
sind. Mit anderen Worten erfolgt die ständige Lagerung nur einseitig,
d. h. auf der einen Seite des Zahneingriffs. Dort sind in der Regel
zwei erste Getriebelager vorgesehen. Aufgrund dieser einseitigen Lagerung
kommt es zu einer vergleichsweisen hohen radialen Belastung der
treibenden Welle, deren negative Folgen mit der vorliegenden Erfindung
ausgeglichen werden können.
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Das
zweite, auf der gegenüberliegenden Seite
des Zahneingriffs angeordnete Getriebelager ist entsprechend einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung derart angeordnet, dass es die treibenden Welle in
deren dem Antrieb abgewandten Endbereich lagert. Die bei Belastung
wirkenden Auslenkungskräfte
sind in diesem Bereich am größten und
können daher
am einfachsten begrenzt werden.
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Bei
Verwendung von zwei ersten Lagern wird durch den Einsatz des zweiten
Getriebelagers eine Dreipunkt-Lagerung erreicht, bei der sich die
Kräfte insbesondere
bei hohen Lasten bzw. großen
Auslenkungen besser verteilen, wodurch insbesondere das betriebsseitige
Motorlager entlastet wird.
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Ist
das zweite Getriebelager als Teil eines Getriebegehäuses ausgebildet,
so wie dies in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen
ist, kann auf die Verwendung eines separaten Lagerungsbauteils verzichtet
werden. Durch die integrierte Bauart ist es zudem möglich, das
erfindungsgemäße zweite
Getriebelager auch bei nahezu sämtlichen
bestehenden Getriebetypen einzusetzen, ohne dass hierfür größere konstruktive Umgestaltungen
erforderlich sind.
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Vorzugsweise
ist das zweite Getriebelager als ein offenes Lager mit im wesentlichen
U-förmigem
Lagerprofil ausgeführt.
Eine solche Bauform ist besonders dann möglich, wenn der Lagerdruck
stets in bestimmten Richtungen wirkt. Besondere Sicherungen, die
ein Herausfallen der Welle aus dem Lager verhindern, sind nicht
zwingend notwendig, können
jedoch je nach Anwendungsfall vorgesehen sein. Vorzugsweise ruht
die treibende Welle jedoch in dem offenen zweiten Getriebelager
ohne eine solche besondere Sicherung. Das zweite Getriebelager dient dabei
zum einem als Stützlager,
d. h. zur Begrenzung der radialen Auslenkung der treibenden Welle
in einer einzigen, senkrecht zu der Achse der treibenden Welle verlaufenden
ersten Auslenkrichtung bei Belastung, indem der U-Grund eine Auslenkung
der Welle über
ein bestimmtes Maß hinaus
verhindert. Zum anderen weist das zweite Getriebelager mit seinen
U-Schenkeln seitliche Begrenzungen auf, die eine Auslenkung in weiteren
radialen Richtungen minimieren. Diese weiteren radialen Auslenkungsrichtungen
verlaufen ebenfalls senkrecht zu der Achse der treibenden Welle,
stimmen mit der ersten Auslenkrichtung jedoch nicht über.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich dabei herausgestellt, wenn die
U-Schenkel des zweiten Getriebelagers nach Art von keilförmigen Lagerflanken
ausgebildet sind, wobei die Steigungen der Lagerflanken derart gewählt sind,
dass die treibende Welle im Belastungsfall senkrecht zu den Lagerflanken anläuft. Mit
anderen Worten erfolgt eine Berührung
der Lagerflanken mit der treibenden Welle möglichst nur auf Berührungslinien.
Die treibende Welle läuft
unter Belastung also in normaler Richtung an. Zugleich wird eine über das „erlaubte" Spiel der Welle hinausgehende
Auslenkung verhindert. Durch die im Idealfall linienförmige Berührungsgeometrie
können die
radialen Kraftkomponenten kompensiert und das Verschieben des Zahneingriffspunktes
bei Belastung verringert werden.
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In
diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft ist es, wenn die Steigungen
der Lagerflanken unterschiedlich sind. Dadurch kann ein senkrechtes Anlaufen
der treibenden Welle auch dann noch gewährleistet werden, wenn es – in Abhängigkeit
von der Drehrichtung der treibenden Welle – zu unterschiedlichen Auslenkungsrichtungen,
drehrichtungs- und lastabhängig
unterschiedlichen Winkellagen der Flanken sowie veränderten
Flankenpressungen kommt. Die Möglichkeiten
einer Auslenkung der treibenden Welle unter Last werden sowohl bei
Rechts-, als auch bei Linkslauf eingeschränkt. Die Reibverhältnisse
und der Wirkungsgrad des Getriebes verbessern sich. Darüber hinaus
werden Wirkungsgradschwankungen aufgrund drehrichtungsabhängigen, unregelmäßigen Anlaufens
vermieden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist es jedoch nicht nur möglich, Zahneingriffvariationen
zu minimieren, die aufgrund einer Belastung des Getriebes auftreten.
Zugleich ist es auch möglich,
Montagetoleranzen auszugleichen, beispielsweise geänderte Achsenabstände oder
Schiefstellungen der Wellenachsen.
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Insgesamt
kann mit der vorliegenden Erfindung selbst unter wechselnden Verzahnungskräften, Achswinkellagen
und Achsabstandsänderungen
ein besonders gut definierter Zahneingriff erreicht werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben,
das mit Hilfe von Zeichnungen näher
er läutert
wird. Hierbei zeigen in vereinfachten, z. T. schematischen Darstellungen:
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1 den
grundsätzlichen
Aufbau eines elektrischen Fensterhebermotors mit einem Schneckenradgetriebe
in einer perspektivischen Ansicht,
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2 eine
stark vereinfachte schematische Ansicht der Wellen,
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3 eine
perspektivische Detailansicht eines zweiten Getriebelagers,
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4 eine
schematische Darstellung des Anlaufens der treibenden Welle an einer
ersten Flanke des zweiten Getriebelagers,
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5 eine
schematische Darstellung des Anlaufens der treibenden Welle an einer
zweiten Flanke des zweiten Getriebelagers,
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6 Lastkennlinien
eines herkömmlichen Zahnradgetriebes
und
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7 Lastkennlinien
eines weitere herkömmlichen
Zahnradgetriebes und
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8 Lastkennlinie
des erfindungsgemäßen Zahnradgetriebes.
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Gleiche
Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer
Funktion.
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Ein
elektrischer Fensterhebermotor 1, wie er in Kraftfahrzeugen
eingesetzt wird, umfasst eine Motorbaugruppe 2 und eine
Getriebebaugruppe 3, wie sie in 1 in geöffnetem
Zustand dargestellt sind. Die Motorbaugruppe 2 umfasst
dabei einen Elektromotor 4, der eine Schneckenwelle 5 antreibt.
Die Schneckenwelle 5 ist dabei als Stahlschnecke ausgebildet
und mit Hilfe von zwei ersten Getriebelagern 6 im Poltopf 7 einerseits
und im Getriebegehäuse 8 andererseits
gelagert. Bei den ersten Getriebelagern 6 handelt es sich
um Gleitlager.
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Die
Schneckenwelle 5 als treibende Welle treibt ein in der
Getriebebaugruppe 3 angeordnetes Schneckenrad 9 an,
so dass sich ein einstufiges Schneckengetriebe mit einer hohen Untersetzung
ergibt. Die Achse 11 des Schneckenrades 9, die
mit dem Getriebegehäuse 8 fest
verbunden ist, ist dabei senkrecht zu der Achse 12 der
Schneckenwelle 5 angeordnet.
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Im
Betrieb treten unter Last Verzahnungskräfte im Berührpunkt der Flanken der Zahnkränze 13, 14 von
Schneckenrad 9 und Schneckenwelle 5 auf, die in
radialer, tangentialer und axialer Richtung auf Schneckenwelle 5 und
Schneckenrad 9 wirken. Zur Verdeutlichung ist in 1 ein
rechtwinkeliges Schneckenwellen-Koordinatensystem eingezeichnet,
wobei der Koordinatensystemursprung aus Gründen der besseren Übersicht
von der Stelle des eigentlichen Zahneingriffs 15 weg in
einen freien Bildbereich verschoben ist.
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Das
dem Elektromotor 4 abgewandte Ende der Schneckenwelle 5 bewegt
sich dabei unter Last nicht nur in radialer y-Richtung, sondern „wandert" – abhängig von
deren Drehrichtung – auch
in radialer z-Richtung, also in der y-z-Ebene, nach rechts oder links,
siehe 2. Anders ausgedrückt, erfolgt nicht nur eine
radialen Auslenkung der treibenden Welle 5 in einer einzigen,
senkrecht zu der Achse 12 der treibenden Welle 5 verlaufenden
ersten Auslenkrichtung y bei Belastung, sondern es treten auch Auslenkungen
in weiteren radialen Richtungen (y-z-Ebene) auf, die ebenfalls senkrecht
zu der Achse 12 der treibenden Welle 5 verlaufen,
mit der ersten Auslenkrichtung y jedoch nicht übereinstimmen.
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Um
diese weiteren radialen Auslenkungen (Δy, Δz) zu begrenzen, ist auf der
den ersten Getriebelagern 6 gegenüberliegenden Seite des Zahneingriffs 15 ein
zusätzliches „zweites" Ge triebelager 16 vorgesehen,
mit welchem der Endbereich 10 der Schneckenwelle 5 unter
Last in Eingriff kommt. Dieses zweite Getriebelager 16 ist
als integraler Bestandteil des Getriebegehäuses 8 ausgeführt.
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Wie
in 3 dargestellt, ist das zweite Getriebelager 16 ein
offenes Lager mit im wesentlichen U-förmigem Lagerprofil. Die U-Schenkel
sind nach Art von keilförmigen
Lagerflanken 17, 18 ausgebildet und begrenzen
den U-Grund 19 beidseitig in radialer Richtung. Die Lagerflanken 17, 18 und
der U-Grund 19 sind derart positioniert, dass unter Berücksichtigung
aller Toleranzen eine Berührung
ohne Last (d. h. im Leerlauf) vermieden wird. Im Idealfall erfolgt
ein Anlaufen der Schneckenwelle 5 an die Lagerflanken 17, 18 und
den U-Grund 19 im Bereich ab 1/2 bis 2/3 des Maximalmoments
(Blockmoment).
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Die
Steigungen der Lagerflanken 17, 18 sind dabei
so gewählt,
dass die Schneckenwelle 5 unabhängig von ihrer Drehrichtung
stets senkrecht zu den Lagerflanken 17, 18 anläuft. Hierzu
weisen die Lagerflanken 17, 18 unterschiedliche
Steigungen auf. Dies wird in den 4 und 5 verdeutlicht,
in denen schematische Draufsichten auf die Stirnseite der Schneckenwelle 5 dargestellt
sind. Dabei sind die Schneckenwelle 5 und das Läuferpaket 20 des
Elektromotors 4 einerseits sowie das Schneckenrad 9 und
die Antriebsachse 11 des Schneckenrades 9 andererseits
verkleinert dargestellt. Die tatsächliche Größe der Schneckenwelle 5 im
Verhältnis
zu dem zweiten Getriebelager 16 wird durch eine weitere Darstellung 5' der Schneckenwelle
mit durchbrochenen Linien verdeutlicht, welche zugleich auch die Lage
der Schneckenwelle 5 im Moment des Anlaufens zeigt. Das
Anlaufen der Schneckenwelle 5 erfolgt dabei jeweils in
Normalenrichtung 21, also senkrecht zu den Lagerflanken 17, 18 des
zweiten Getriebelagers 16 auf Berührungslinien 22, vgl. 6.
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4 zeigt
das Anlaufen der Schneckenwelle 5 bei einer Drehung im
Uhrzeigersinn. Die Schneckenwelle 5 läuft zugleich an der einen Lagerflanke 17 des
zweiten Getriebelagers 16 und am U-Grund 19 des
zweiten Getriebelagers 16 an. Die angelaufene Lagerflanke 17 weist
einen Steigungswinkel α auf.
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5 zeigt
das Anlaufen der Schneckenwelle 5 bei einer Drehung entgegen
dem Uhrzeigersinn. Die Schneckenwelle 5 läuft an der
gegenüberliegenden
Lagerflanke 18 des zweiten Getriebelagers 16 an,
ohne dabei den U-Grund 19 zu berühren. Die angelaufene Lagerflanke 18 weist
einen Steigungswinkel β auf.
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Die
Steigungswinkel der Lagerflanken 17, 18 ergeben
sich bei einem "idealen
Motor" ohne Berücksichtigung
der Bauteil- und Montage-Toleranzen aus den Eigenschaften der Lagerung
(Geometrie, Spiele, Steifigkeiten), der Biegelinie der Schneckenwelle 5, der
Verzahnungsgeometrie und -tribologie (Schrägungs- und Steigungswinkel,
Reibzahlen) sowie der Drehrichtung der Schneckenwelle 5.
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In
der Praxis haben sich Steigungswinkel α und β, die in einem Bereich von etwa
30° bis
40° liegen,
als besonders geeignet erwiesen.
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Die
Steigungswinkel α der
Lagerflanke 17 des zweiten Getriebelagers 16 ist
bei rechtssteigender Verzahnung der Schneckenwelle 5 stets
größer als
der Steigungswinkel β der
Lagerflanke 18.
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Die
Wirkung der vorliegenden Erfindung auf das Betriebsverhalten des
Zahnradgetriebes kann anhand von Lastkennlinien veranschaulicht
werden, welche die Drehzahl n in Abhängigkeit von der Belastungsmoment
M zeigen. In 6 sind Lastkennlinien für einen
herkömmlichen
elektrischen Fensterhebermotor abgebildet. Deutlich sind die bei
höherer
Belastung auseinanderlaufenden Kennlinienverläufe für Rechtslauf (durchgezogene
Kennlinie) und Linkslauf (unterbrochene Kennlinie) erkennbar, die
auf sich ändernde
Lastverhältnisse
bei Auslenkung des Wellenendes zurückzuführen sind. Belastungsschwankungen
während
der Kennlinienfahrt zeigen die in 7 dargestellten
Kennlinien eines weiteren herkömmlichen
Fensterhebermotors.
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8 zeigt
Lastkennlinien bei Anwendung der Erfindung. Eine Abhängigkeit
des Kennlinienverlaufs von der Drehrichtung der Schneckenwelle 5 ist ebensowenig
erkennbar. Auch belastungsabhängige Unregelmäßigkeiten
während
der Kennlinienfahrt liegen nicht vor.
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Mit
dem beschriebenen zweiten Getriebelager 16 lassen sich
nicht nur dynamische Abweichungen im Zahneingriff 15 minimieren,
wie sie unter Belastung auftreten. Zugleich können „statische" Prozess- und Montagetoleranzen ausgeglichen
werden, welche die Ausrichtung der Schneckenwelle 5 in
Bezug auf das Schneckenrad 9 im Zahneingriff 15 beeinflussen,
wie beispielsweise der Abstand der Achsen 11, 12 von
Schneckenrad 9 und Schneckenwelle 5 oder Winkelstellungen.
So führt
ein axialer Versatz zwischen Poltopf 7 und Getriebegehäuse 8 im
Berührpunkt
der Zahnkränze 13, 14 zu
unterschiedlichen Winkellagen der Zahnflanken und unterschiedlichen
Flankenpressungen, was sich wiederum auf die Reibverhältnisse
und den Wirkungsgrad des Getriebes auswirkt.