DE102008057383A1

DE102008057383A1 - Machine element for use with Hirth spur toothing, has tooth with two tooth flanks and front surface, where transition area is provided between tooth flanks and front surface

Info

Publication number: DE102008057383A1
Application number: DE200810057383
Authority: DE
Inventors: Christian M. Eng. Stolz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2010-05-20

Abstract

The machine element has a tooth with two tooth flanks (16) and a front surface (18). A transition area (42) is provided between the tooth flanks and the front surface whose slope is different from the slope of the respective tooth flank and the front surface. The transition area is formed as a bevel and has a continuous curvature. An independent claim is included for a method for manufacturing a machine element.

Description

Die Erfindung betrifft ein Maschinenelement mit einer Hirth-Stirnverzahnung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The The invention relates to a machine element with a Hirth spur toothing according to the preamble of claim 1.

Die Hirth-Stirnverzahnung ist aus dem Stand der Technik als allgemein bekannt zu entnehmen. Es handelt sich dabei um eine Plan-Kerbverzahnung zur Drehmomentenübertragung bei axialer Vorspannung. Sie findet vor allem Anwendung zur Verbindung von Wellenenden mit Zahnrädern, oder direkt zwischen Zahnrädern. Die Kerbverzahnung übernimmt dabei vorteilhafter Weise die Zentrierung der Teile, ohne das weiter Maßnahmen dazu nötig sind.The Hirth spur gearing is considered to be common in the art to be known. It is a plan serration for torque transmission at axial preload. Above all, it finds application to the compound shaft ends with gears, or directly between gears. The serration takes over doing so advantageously the centering of the parts, without further activities necessary are.

Die jeweiligen Zähne der Verzahnung weisen dabei ebene Flanken auf, wobei die Zahnspitze abgeflacht ist. Im Gegensatz zur Hypoid- oder Palloid-Verzahnungen besitzen die Zahnflanken also keine Krümmung. Durch die axiale Vorspannung derartiger Verzahnungen entstehen an den einzelnen Zähnen Spannungsmaxima im Bereich des Zahnfußes, nämlich dort, wo sich die Kante zwischen Zahnflanke und Zahnstirnfläche des Gegenzahns anpresst. Verschärft wird das Problem durch Formfehler und Grate im Bereich der Kante zwischen Zahnflanke und Zahnstirnfläche, da sich derartige Fehlstrukturen scharf in die Flanke des Gegenzahnes eingraben können. Diese hohen Materialspannungen führen zu einer vorzeitigen Materialermüdung und Rissbildung und damit zu einer reduzierten Lebensdauer der jeweiligen Bauteile.The respective teeth The teeth have flat flanks, with the tooth tip flattened is. In contrast to the hypoid or palloid toothings own the tooth flanks so no curvature. Due to the axial bias of such teeth arise the individual teeth Tension maxima in the area of the tooth root, namely where the edge between tooth flank and tooth face of the opposing tooth presses. tightened The problem is caused by deformities and burrs in the area of the edge between the tooth flank and the tooth face, since such faulty structures are sharp can dig into the flank of the opposing tooth. These high material tensions to lead to premature material fatigue and cracking and thus to a reduced life of the respective Components.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Maschinenelement der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass dessen Materialspannung bei der Koppelung mit einer komplementären Verzahnung reduziert wird. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Maschinenelements bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention, a machine element of the type mentioned so on, that its material tension is reduced in the coupling with a complementary toothing. It is a further object of the present invention to provide a method to provide for producing such a machine element.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Maschinenelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.These Task is solved by a machine element having the features of the claim 1 and by a method having the features of the claim 6th

Ein solches Maschinenelement mit einer Hirth-Stirnverzahnung umfasst wenigstens einen Zahn mit jeweils zwei Zahnflanken und einer Stirnfläche. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen den Zahnflanken und der Stirnfläche jeweils ein Übergangsbereich vorgesehen ist, dessen Steigung sich von der Steigung der jeweiligen Zahnflanke beziehungsweise der Stirnfläche unterscheidet. Mit anderen Worten wird das wesentliche Merkmal der Hirth-Stirnverzahnung, nämlich die plan ausgebildeten Zahnflanken, beibehalten, der materialspannungsverursachende Übergang zwischen Flanken und Stirnflächen wird jedoch nicht mehr, wie bei der klassischen Hirth-Stirnverzahnung, als scharfe Kante dargestellt, sondern als ausgedehnter Übergangsbereich. Durch das Wegfallen der scharfen Kante wird deren Eingraben in die Flanke eines komplementären Zahnrades beziehungsweise Maschinenelementes vermieden, wodurch die Materialspannungen reduziert werden und so die Lebensdauer der Bauteile erhöht werden. Die Anwendung beschränkt sich dabei nicht auf Zahnräder als solche, unter Maschinenelement im Sinne dieser Anmeldung sind auch Wellen mit gezahnten Wellenenden, Zahnringe und dergleichen zu verstehen.One Such machine element comprises a Hirth spur gear at least one tooth, each with two tooth flanks and one end face. According to the invention, it is provided that between the tooth flanks and the end face in each case a transition region is provided, whose slope is different from the slope of the respective Tooth flank or the face is different. With others Words is the essential feature of Hirth spur gearing, namely the Plan trained tooth flanks, maintained, the material voltage-causing transition between flanks and faces However, it does not work anymore, as in the classic Hirth serration, shown as a sharp edge, but as an extended transition area. Due to the omission of the sharp edge is their burial in the Flank of a complementary Gear or machine element avoided, thereby the material stresses are reduced and so the life of the Increased components become. The application is limited not geared to gears as such, under machine element within the meaning of this application also waves with toothed shaft ends, toothed rings and the like to understand.

Zur Ausbildung des Übergangsbereiches zwischen Zahnflanken und Stirnflächen stehen zwei alternative Ausführungsformen zur Verfügung. Zum einen ist es möglich, den Übergangsbereich zwischen Zahnflanke und Stirnfläche als Fase auszubilden. Dies ist die fertigungstechnisch einfachste Ausführung. Zwischen der Zahnflanke und der Stirnfläche eines Zahnes wird also eine weitere, plane Fläche erzeugt, welche sowohl zur Zahnflanke, als auch zur Stirnfläche geneigt ist. Hierbei existieren zwar noch immer Kanten, die von den die jeweilige Kante bildenden Flächen eingeschlossenen Winkel sind jedoch stumpfer, als bei der klassischen Hirth-Stirnverzahnung. Dadurch wird das Eingraben der Kantenbereiche in komplementäre Zähne beim Zusammenwirken des Maschinenelementes mit einem weiteren stirnverzahnten Maschinenelement reduziert. Die Fase schließt dabei bevorzugt einen Winkel von 5° bis 15° mit der jeweiligen Zahnflanke ein.to Training the transition area between Tooth flanks and faces stand two alternative embodiments to disposal. For one thing, it is possible the transition area between tooth flank and face to train as a chamfer. This is the simplest manufacturing technology Execution. So between the tooth flank and the face of a tooth another, flat surface generated, which inclined to both the tooth flank, as well as the end face is. Although there are still edges that are of the respective edge forming surfaces However, included angles are duller than in the classic Hirth couplings. This will bury the edge areas in complementary Teeth at Cooperation of the machine element with another end-toothed Machine element reduced. The chamfer preferably closes an angle from 5 ° to 15 ° with the respective tooth flank.

In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, den Übergangsbereich als kontinuierlich gekrümmte Fläche auszubilden. Dadurch wird eine besonders große Reduzierung der Materialspannungen erzielt, da durch den gekrümmten Übergangsbereich ein kontinuierliches Abfallen der eingebrachten Spannung ermöglicht wird. Auch hier ist die eigentliche Zahnflanke wie bei der klassischen Hirth- Stirnverzahnung plan ausgebildet. Eine Krümmung ist im Gegensatz zu Hypoid- oder Palloid-Verzahnungen lediglich in einem kleinen Übergangsbereich zwischen Zahnflanke und Stirnfläche vorgesehen. Bevorzugter Weise beträgt ein Krümmungsradius der Krümmung des Übergangsbereiches zwischen 10% und 35% der Breite der Stirnfläche.In alternative embodiment of the invention, it is possible the transition region as continuously curved area train. This results in a particularly large reduction in material tensions scored because of the curved transition area a continuous drop of the introduced voltage is made possible. Here, too, the actual tooth flank is flat, as in the classic Hirth serration educated. A curvature is in contrast to hypoid or palloid gears only in a small transition area between tooth flank and face intended. Preferably, a radius of curvature is the curvature of the transition region between 10% and 35% of the width of the face.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Maschinenelements mit einer Hirthverzahnung, welche wenigstens einen Zahn mit jeweils zwei Zahnflanken und einer Stirnfläche umfasst. Erfindungsgemäß ist hier vorgesehen, dass zwischen den Zahnflanken und der Stirnfläche ein jeweiliger Übergangsbereich mit von der Steigung der jeweiligen Zahnflanke beziehungsweise der Stirnfläche abweichender Steigung erzeugt wird. Das Verfahren bezieht sich dabei bevorzugt auf aus hochfesten Werkstoffen gefertigte Maschinenelemente, welche insbesondere einen spitzen Öffnungswinkel der Verzahnung aufweisen. Bei geprägten Hirthverzahnungen in Blechen mit flachen Öffnungswinkeln oder in Kunststoff ausgeführten Maschinenelementen mit Hirth-Stirnverzahnung, ist zwar das Einbringen einer Rundung ebenfalls möglich, aufgrund der ohnehin sehr weichen Werkstoffe hat eine solche Rundung in diesem Fall jedoch keinen nennenswerten Einfluss auf die Materialspannungen oder die Dauerfestigkeit der Verbindung.The invention further relates to a method for producing a machine element with a Hirth toothing, which comprises at least one tooth with two tooth flanks and one end face. According to the invention, it is provided here that between the tooth flanks and the end face a respective transition region is produced with a pitch deviating from the pitch of the respective tooth flank or the end face. The method is preferably based on hochfes ten materials manufactured machine elements, which in particular have an acute opening angle of the toothing. In the case of embossed Hirth gearings in sheet metal with flat opening angles or in plastic machine elements with Hirth spur gearing, the introduction of a rounding is also possible, however, because of the already very soft materials such a rounding in this case has no appreciable influence on the material stresses or fatigue strength the connection.

Bevorzugter Weise wird der Übergangsbereich zwischen Zahnflanke und Stirnfläche spanend, durch Erodieren, durch Prägen oder durch elektrochemisches Abtragen erzeugt.preferred Way becomes the transition area between tooth flank and face by machining, by eroding, by embossing or by electrochemical Abrasion generated.

Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigen:in the Below is the invention and its embodiments with reference to the drawing be explained in more detail. Hereby show:

1 eine schematische Darstellung des Materialspannungsverlaufes am Zahnfuß einer konventionellen Hirth-Stirnverzahnung nach dem Stand der Technik, 1 a schematic representation of the material stress curve at the tooth root of a conventional Hirth spur toothing according to the prior art,

2 eine schematische Darstellung des Spannungsverlaufes am Zahnfuß eines mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Maschinenelement wechselwirkenden, verzahnten Maschinenelements, 2 1 is a schematic representation of the voltage profile at the tooth root of a toothed machine element interacting with an exemplary embodiment of a machine element according to the invention;

3 die Zahnform eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Maschinenelementes mit abgerundetem Übergangsbereich, 3 the tooth shape of an embodiment of a machine element according to the invention with a rounded transition region,

4 die Zahnform eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Maschinenelementes mit angefastem Übergangsbereich. 4 the tooth shape of an embodiment of a machine element according to the invention with chamfered transition region.

1 zeigt das Zusammenwirken eines ersten Maschinenelements 10 mit einem zweiten Maschinenelement 12, welche jeweils eine komplementäre Hirth-Stirnverzahnung der aus dem Stand der Technik bekannten Art aufweisen. Es ist dabei jeweils nur ein Zahn der Verzahnung dargestellt. Der Zahn 14 des ersten Maschinenelementes 10 umfasst zwei plane Zahnflanken 16 und ist an der Spitze abgestumpft, so dass sich dort eine ebene Stirnfläche 18 ausbildet. In die Zahnlücke 20 zwischen dem Zahn 14 des ersten Maschinenelements 10 und einem nicht gezeigten benachbarten Zahn greift der Zahn 22 des zweiten Maschinenelementes 12 ein. Aufgrund der abgeflachten Stirnfläche 18 reicht der Zahn 22 nicht bis in den Zahngrund 24 der Zahnlücke 20. Der Zahngrund 24 ist weiterhin aus Gründen der Spannungsreduktion gekrümmt ausgebildet. 1 shows the interaction of a first machine element 10 with a second machine element 12 which each have a complementary Hirth spur toothing of the type known from the prior art. It is shown in each case only one tooth of the toothing. The tooth 14 of the first machine element 10 includes two flat tooth flanks 16 and is dulled at the top, so that there is a flat face 18 formed. In the tooth gap 20 between the tooth 14 of the first machine element 10 and an adjacent tooth, not shown, engages the tooth 22 of the second machine element 12 one. Due to the flattened face 18 the tooth is enough 22 not to the bottom of the tooth 24 the tooth gap 20 , The tooth base 24 is further formed curved for reasons of voltage reduction.

Bei einer Momentenübertragung zwischen den Maschinenelementen 10 und 12 wirken entlang der Berührungsfläche zwischen den Zähnen 14 und 22 Schubspannungen in Richtung des Pfeils 26 auf den Zahn 14 ein. Die höchste Materialbelastung tritt dabei im Bereich des Zahngrundes 24 der Zahnlücke 20 auf. Insbesondere am Berührpunkt 28 der Zahnflanke 16 des ersten Zahnes 14 mit der Kante zwischen Zahnflanke 16 und Stirnfläche 18 des zweiten Zahnes 22, werden dabei die höchsten Kräfte in den Zahn 14 eingeleitet. Die Kante gräbt sich dabei in die Zahnflanke 16 des ersten Zahnes 14 ein, so dass es zu einem Druckspannungsverlauf 30, wie in 1 schematisch dargestellt, kommt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Zahnes 12 entsteht ein entsprechender Zugspannungsverlauf 32. Für jeden Punkt des Zahngrundes 24 ergibt sich die jeweilige Zug- beziehungsweise Druckspannung zunächst aus der Größe der Schubspannung τ_Sh sowie aus dem Winkel Θ zwischen der Tangente 34 an den jeweiligen Punkt des Zahngrundes 24 und der Symmetrieachse 36 des Zahnes 14. Druckspannungen 30 sowie Druckspannungen 32 nehmen dabei entlang eines steilen Gradienten zu, was zu hohem Verschleiß und gegebenenfalls zu Rissbildung im Zahn 14 führen kann.In a torque transmission between the machine elements 10 and 12 act along the interface between the teeth 14 and 22 Shear stresses in the direction of the arrow 26 on the tooth 14 one. The highest material load occurs in the area of the tooth base 24 the tooth gap 20 on. Especially at the touch point 28 the tooth flank 16 of the first tooth 14 with the edge between the tooth flank 16 and face 18 of the second tooth 22 , the highest forces are in the tooth 14 initiated. The edge digs into the tooth flank 16 of the first tooth 14 a, so that it leads to a compressive stress curve 30 , as in 1 shown schematically comes. On the opposite side of the tooth 12 creates a corresponding tension profile 32 , For every point of the tooth surface 24 The respective tensile or compressive stress results first from the size of the shear stress τ _Sh and from the angle Θ between the tangent 34 at the respective point of the tooth base 24 and the axis of symmetry 36 of the tooth 14 , compressive stresses 30 as well as compressive stresses 32 take along a steep gradient, resulting in high wear and possibly cracking in the tooth 14 can lead.

2 zeigt die Kraft- und Spannungsverhältnisse an einem Maschinenelement 10, welches eine Verzahnung aufweist, die als dem Stand der Technik entsprechende Hirth-Stirnverzahnung ausgeführt ist und einem weiteren Maschinenelement 38, dessen Verzahnung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verzahnung darstellt. Der Zahn 40 des Maschinenelements 38 weist ebenfalls eine plane Zahnflanke 16 und eine abgeflachte Stirnfläche 18 auf, welche in die Zahnlücke 20 des ersten Maschinenelementes 10 eingreift. Zwischen Zahnflanke 16 und Stirnfläche 18 des Zahns 40 ist ein abgerundeter Übergangsbereich 42 vorgesehen, dessen Krümmungsradius r in der Größenordnung zwischen 10% und 35% der Breite b des Zahnes 40 entspricht. Es kommt also zu keiner scharfen Kantenberührung zwischen Zahn 40 und Zahn 14 mehr, so dass der durch Einleitung der Schubspannung τ_Sh entlang des Pfeils 26 entstehende Druckspannungsgradient 44, welcher hier strichliert dargestellt ist, wesentlich flacher ausfällt als der hier als durchgezogene Überlagerung 30 dargestellte Druckspannungsgradient 30 bei konventioneller Hirth-Stirnverzahnung. Die eingeleiteten Kräfte werden somit über einen größeren Bereich des Zahnes 14 verteilt, so dass der Verschleiß vermindert wird und die Ausbildung von Spannungsrissen zurückgeht. Selbstverständlich ist auch eine Kombination des Maschinenelements 38 mit einem weiteren Maschinenelement, welches ebenfalls eine erfindungsgemäße Verzahnung aufweist möglich. Dies reduziert den Verschleiß an beiden Maschinenelementen. 2 shows the force and tension conditions on a machine element 10 , which has a toothing, which is designed as a prior art Hirth front teeth and another machine element 38 whose teeth represent an embodiment of a toothing according to the invention. The tooth 40 of the machine element 38 also has a flat tooth flank 16 and a flattened face 18 on which in the tooth gap 20 of the first machine element 10 intervenes. Between tooth flank 16 and face 18 of the tooth 40 is a rounded transition area 42 whose radius of curvature r is on the order of between 10% and 35% of the width b of the tooth 40 equivalent. So there is no sharp edge contact between tooth 40 and tooth 14 more, so that by introducing the shear stress τ _Sh along the arrow 26 resulting compressive stress gradient 44 , which is shown here in dashed lines, substantially flatter than the one here as a solid overlay 30 illustrated compressive stress gradient 30 with conventional Hirth serration. The introduced forces are thus spread over a larger area of the tooth 14 distributed, so that the wear is reduced and the formation of stress cracks decreases. Of course, a combination of the machine element 38 with a further machine element, which also has a toothing according to the invention possible. This reduces the wear on both machine elements.

3 und 4 zeigen schließlich zwei alternative Ausführungsformen eines einzelnen Zahnes für ein erfindungsgemäßes Maschinenelement. Der in 3 gezeigte Zahn 40 entspricht dem in 2 gezeigten. Er umfasst zwei plane Zahnflanken 16 und eine plane Stirnfläche 18, wobei zwischen den Zahnflanken 16 und der Stirnfläche 18 Übergangsbereiche 42 mit einer gekrümmten Oberfläche vorgesehen sind. Zum Vergleich ist der Verlauf einer konventionellen Hirth-Stirnverzahnung strichliert dargestellt. Der Krümmungsradius r beträgt wiederum in etwa 10% bis 35% der Breite b der Stirnfläche 18. Alternativ zur gekrümmten Ausführung ist die in 4 gezeigte Ausführungsform eines Zahnes 40 für ein erfindungsgemäßes Maschinenelement möglich. Auch hier sind zwei plane Zahnflanken über Übergangsbereiche 42 mit einer ebenfalls planen Stirnfläche 18 verbunden. Die Übergangsbereiche 42 sind hier jedoch nicht gekrümmt ausgeführt, sondern als Fasen 44 an der Stirnfläche 18 ausgeführt der Fasenwinkel α beträgt dabei zwischen 5° und 15°. Auch hier ist der Konturverlauf einer konventionellen Hirth-Stirnverzahnung strichliert dargestellt. Eine solche abgefaste Darstellung des Übergangsbereiches 42 reduziert ebenfalls die Spannungen an der Kontaktstelle zwischen dem Zahn 40 und dem Zahn eines weiteren Maschinenelementes. 3 and 4 Finally, show two alternative embodiments of a single tooth for a machine element according to the invention. The in 3 tooth shown 40 corresponds to the in 2 shown. It includes two flat tooth flanks 16 and a flat face 18 , being between the tooth flanks 16 and the face 18 Transition areas 42 are provided with a curved surface. For comparison, the course of a conventional Hirth serration is shown by dashed lines. The radius of curvature r is in turn about 10% to 35% of the width b of the end face 18 , As an alternative to the curved design, the in 4 shown embodiment of a tooth 40 possible for a machine element according to the invention. Again, there are two planar tooth flanks over transition areas 42 with a likewise flat face 18 connected. The transition areas 42 However, here are not curved, but as bevels 44 at the frontal area 18 executed the chamfer angle α is between 5 ° and 15 °. Again, the contour of a conventional Hirth spur toothing is shown by dashed lines. Such a chamfered representation of the transition region 42 also reduces the stresses at the contact point between the tooth 40 and the tooth of another machine element.

1010: Maschinenelementmachine element
1212: Maschinenelementmachine element
1414: Zahntooth
1616: Zahnflanketooth flank
1818: Stirnflächeface
2020: Zahnlückegap
2222: Zahntooth
2424: Zahngrundtooth root
2626: Pfeilarrow
2828: Berührpunktcontact point
3030: DruckspannungsverlaufCompressive stress history
3232: Zugspannungsverlauftensile stress
3434: Tangentetangent
3636: Symmetrieachseaxis of symmetry
3838: Maschinenelementmachine element
4040: Zahntooth
4242: ÜbergangsbereichTransition area
4444: DruckspannungsgradientDruckspannungsgradient
τ_Sh τ _Sh: Schubspannungshear stress
ΘΘ: Winkelangle
rr: Krümmungsradiusradius of curvature
bb: Breitewidth

Claims

Machine element ( 38 ) with a Hirth spur toothing comprising at least one tooth ( 40 ) each with two tooth flanks ( 16 ) and an end face ( 18 ), characterized in that between the tooth flanks ( 16 ) and the face ( 18 ) one transitional area each ( 42 ) is provided, the slope of which depends on the slope of the respective tooth flank ( 16 ) or the end face ( 18 ) is different.

Machine element ( 38 ) according to claim 1, characterized in that the transition region ( 42 ) as a chamfer ( 44 ) is trained.

Machine element ( 38 ) according to claim 2, characterized in that the chamfer ( 44 ) an angle (α) of 5 ° to 15 ° with the respective tooth flank ( 16 ).

Machine element ( 38 ) according to claim 1, characterized in that the transition region ( 42 ) has a continuous curvature.

Machine element ( 38 ) according to claim 4, characterized in that a radius of curvature (r) of the curvature between 10% and 35% of the width (b) of the end face ( 18 ) is.

Method for producing a machine element ( 38 ) with a Hirth spur toothing comprising at least one tooth ( 40 ) each with two tooth flanks ( 16 ) and an end face ( 18 ), characterized in that between the tooth flanks ( 16 ) and the face ( 18 ) a respective transition region ( 42 ) with the slope of the respective tooth flank ( 16 ) or the end face ( 18 ) deviating slope is generated.

Method according to claim 6, characterized in that the transition region ( 42 ) is produced by machining, eroding, embossing or electrochemical removal.