DE102009027509A1

DE102009027509A1 - Anordnung von mindestens zwei Zahnradstufen in einem Getriebe

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Publication number: DE102009027509A1
Application number: DE102009027509A
Authority: DE
Inventors: Ulf Lang; Frank Richter; Torsten Dr. Hesse; Ilja Imgrunt
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2011-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von mindestens zwei Zahnradstufen in einem Getriebe, wobei jeweils zwei Zahnradstufen (Z1/Z2, Z3/Z4) paarweise miteinander in Eingriff stehende, auf drei Wellen (1, 2, 3) angeordnete Zahnräder (Z1, Z2, Z3, Z4) mit Mittelpunkten (M1, M2, M3) umfassen, welche Eckpunkte eines Dreiecks bilden, bei dem die erste Seite (M1, M2) den Achsabstand (a1) der ersten Stufe (Z1/Z2), die zweite Seite (M2, M3) den Achsabstand (a2) der zweiten Stufe (Z3/Z4) und die dritte Seite (M1, M3) den Achsabstand (a3) der beiden äußeren Wellen (1, 3) bilden. Es wird vorgeschlagen, dass im Bereich der mittleren Welle (2) mit dem Mittelpunkt (M2) eine Vorrichtung (4) zur Veränderung der Achsabstände (a1, a2) angeordnet ist und dass die Vorrichtung (4) eine Kraft (F) auf die mittlere Welle (2) in Richtung auf die dritte Seite (M1, M3) ausübt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von mindestens zwei Zahnradstufen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Veränderung der Achsabstände nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 11.
In bekannten Zahnradgetrieben sind meistens mehrere Zahnradstufen angeordnet, wobei eine Zahnradstufe zwei miteinander in Eingriff stehende Zahnräder umfasst, welche auf parallel zueinander angeordneten Wellen befestigt sind. Die Wellen, die in einem Getriebegehäuse gelagert sind, weisen einen Achsabstand auf, welcher maßgeblich für das Spiel der miteinander in Eingriff stehenden Zahnräder ist. Idealerweise soll der Achsabstand derart bemessen sein, dass sich die Zahnräder im Bereich ihrer Wälzkreise berühren.
Durch die DE 198 53 635 A1 wurde ein Nockenwellenantrieb bekannt, bei welchem die Nockenwelle einer Brennkraftmaschine über Stirnräder von der Kurbelwelle angetrieben wird. Um das Spiel der miteinander kämmenden Stirnräder auszugleichen, ist ein Ausgleichszwischenrad mit einer frei beweglichen Drehachse vorgesehen. Die parallel zu sich selbst verschiebbare Drehachse wird dabei gelenkig über zwei Bügelpaare geführt, deren entgegengesetzten Enden an benachbarten, gehäusefesten Achsen drehbar gelagert sind. Die drei Drehachsen der miteinander kämmenden Zahnräder bilden somit ein Gelenkdreieck, bei welchem zwei Achsen gehäusefest und die dritte beweglich über die Bügelpaare angelenkt ist. Damit soll erreicht werden, dass sich die durch die Bügelpaare definierten Achsabstände auch dann nicht verändern, wenn sich der Achsabstand zwischen den beiden gehäusefesten Achsen ändert, z. B. aufgrund einer temperaturbedingten Dehnung des Gehäuses.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Anordnung von Zahnradstufen der eingangs genannten Art eine Möglichkeit zur Korrektur der Achsabstände in einem Getriebe zu schaffen. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Verfahren zur Korrektur der Achsabstände anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung geht von einer Anordnung von zwei Zahnradstufen aus, bei welcher die Mittelpunkte der drei Wellen die Eckpunkte eines Dreiecks und die Achsabstände die Seiten dieses Dreiecks bilden. Bei Verschiebung eines Eckpunktes, d. h. einer Welle ergeben sich kleinere oder größere Achsabstände. Erfindungsgemäß ist daher für die mittlere der drei Wellen eine Vorrichtung zur Veränderung der Achsabstände vorgesehen, wobei diese Vorrichtung eine Kraft auf die mittlere Welle in Richtung auf die gegenüberliegende Seite des Dreiecks ausübt. Dadurch wird die mittlere Welle derart verschoben, dass sich die Achsabstände zu den beiden benachbarten Wellen verkürzen. Damit kann ein vorhandenes Spiel zwischen den in Eingriff bestehenden Zahnrädern korrigiert werden, d. h. die Zahnräder greifen spielfrei ineinander.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Kraft durch eine Feder, insbesondere eine Druckfeder ausgeübt, welche in der Vorrichtung angeordnet ist und sich gegenüber dem Getriebegehäuse abstützt. Damit wird eine permanente Druckkraft definierter Große auf die mittlere Welle der beiden Zahnradstufen ausgeübt, wodurch die Achsabstände automatisch korrigiert werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wirkt die Feder über eine Gleiteinrichtung, z. B. ein Gleitstück auf die Welle oder das Lager der Welle.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist die Vorrichtung zur Veränderung der Achsabstände als Exzenter-System ausgebildet, wobei ein erster Exzenter, d. h. ein äußerer Exzenter ortsfest gelagert, vorzugsweise in einem Getriebegehäuse abgestützt ist. Innerhalb des Exzenters ist die mittlere Welle exzentrisch gelagert, sodass bei einer Verschwenkung des Exzenters um seinen Drehmittelpunkt die Welle derart verschoben wird, dass sich die benachbarten Achsabstände verändern. Je nach Verschwenkungsrichtung, im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn, können somit die Achsabstände vergrößert oder verkleinert werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist in dem äußeren Exzenter ein innerer Exzenter drehbar angeordnet, welcher um die Exzentrizität e in z-Richtung versetzt ist. In dem inneren Exzenter ist die Welle drehbar gelagert. Durch den inneren Exzenter ergibt sich ein Freiheitsgrad in z-Richtung, d. h. die Welle kann sich zwischen den beiden benachbarten Wellen verschieben und zentrieren, sodass ein ungleiches Spiel der benachbarten Zahneingriffe ausgeglichen wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der äußere Exzenter einen Hebel auf, über welchen der Exzenter verschwenkt werden kann. Am Hebel greift mit einem Hebelarm b eine Verstellkraft an. Bevorzugt kann diese Verstellkraft durch den Einbau einer Feder realisiert werden. Da die Mittelpunkte der Welle und des inneren Exzenters um die Exzentrizität e in z-Richtung versetzt sind, wird die Verstellkraft im Verhältnis von Hebelarm b zu Exzentrizität e übersetzt, sodass eine entsprechend dem Hebelarmverhältnis b/e verstärkte Kraft auf die Welle wirkt und somit deren Verschiebung in x-Richtung bewirkt.
Erfindungsgemäß ist bei einem Verfahren zur Veränderung der Achsabstände vorgesehen, dass eine Verstellkraft auf den Hebel des äußeren Exzenters aufgebracht wird, dass der Exzenter um seinen Drehmittelpunkt verschwenkt und dass die im inneren Exzenter gelagerte Welle in x-Richtung verschoben wird. Damit lässt sich durch eine relativ geringe Verstellkraft einen Verschiebung der Welle und damit eine Änderung der Achsabstände zur Korrektur des Zahnspiels erreichen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform lässt der innere Exzenter durch Drehung im äußeren Exzenter eine Verschiebung des Wellenmittelpunktes in z-Richtung zu, sodass eine Zentrierung der Welle zwischen den beiden benachbarten Zahneingriffen und ein ausgeglichenes Zahnspiel erreicht wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem federbelasteten Wellenlager,
2 eine schematische Darstellung der Wälzkreis eines dreistufigen Stirnradgetriebes und
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Exzenter-System.
1 zeigt eine Anordnung von zwei Zahnradstufen mit drei Wellen 1, 2, 3, welche Mittelpunkte M1, M2, M3 aufweisen. Auf der Welle 1 ist das Zahnrad Z1, auf der Welle 2 sind die Zahnräder Z2, Z3 und auf der Welle 3 ist das Zahnrad Z4 befestigt, wobei jeweils die Zahnräder Z1, Z2 sowie Z3, Z4 in Zahneingriff miteinander stehen und jeweils eine Zahnradstufe Z1/Z2, Z3/Z4 bilden. Die Mittelpunkte M1, M2, M3 der Wellen 1, 2, 3 bilden die Eckpunkte eines Dreiecks, wobei die Seite M1M2 dem Achsabstand a1 der Wellen 1, 2 und die Seite M2M3 dem Achsabstand a2 der Wellen 2, 3 entspricht. Die dritte Seite des Dreiecks M1M3 entspricht dem Achsabstand a3 der Wellen 1, 3. Die Seiten a1, a2 bilden einen stumpfen Winkel α < 180°. Die Wellen 1, 3 sind in einem nicht dargestellten Getriebegehäuse konventionell gelagert. Die Welle 2 dagegen ist erfindungsgemäß elastisch gelagert, d. h. ihr Mittelpunkt M2 bzw. die durch den Mittelpunkt M2 verlaufende Achse der Welle 2 ist in Richtung auf die Seite a3 verschiebbar angeordnet. Hierzu ist eine Vorrichtung 4 im Bereich der Weile 2 vorgesehen, welche als Vorspanneinrichtung 4 ausgebildet ist und ein Gleitstück 5, eine ortsfeste Befestigungsplatte 6 sowie eine zwischen dem Gleitstück 5 und der Befestigungsplatte 6 angeordnete Druckfeder 7 aufweist. Die Befestigungsplatte 6 stützt sich an dem nicht dargestellten Getriebegehäuse ab. Durch die Vorspannreinrichtung 4 wird über die Druckfeder 7 eine definierte Kraft, dargestellt durch einen Pfeil F_W, in Richtung auf die Seite a3 ausgeübt, sodass der Mittelpunkt M2 in Richtung auf die Seite a3 verschoben wird. Dadurch verkürzen sich die Achsabstände a1, a2, sodass ein Zahnspiel zwischen den Zahneingriffen Z1/Z2 und Z3/Z4 ausgeglichen wird. Die optimale Wirkungsrichtung der Kraft F_W verläuft in Richtung der Winkelhalbierenden des Winkels α.
2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine schematische Darstellung eines dreistufigen Stirnradgetriebes 10, wobei die einzelnen Zahnräder Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 als Wälzkreise dargestellt sind. Das Zahnrad Z1 weist einen Mittelpunkt M1, die koaxialen Zahnräder Z2, Z3 weisen einen Mittelpunkt M2, die koaxialen Zahnräder Z4, Z5 einen Mittelpunkt M3 und das Zahnrad Z6 weist einen Mittelpunkt M4 auf. Die Mittelpunkte M1 bis M4 stellen die Durchstoßpunkte der Achsen der nicht dargestellten Zahnradwellen durch die Zeichenebene dar. Die Mittelpunkte M1, M2, M3, d. h. die Achsen der Zahnradstufen Z1/Z2 und Z3/Z4 bilden die Eckpunkte eines Dreiecks, wobei die Seite M1M2 den Achsabstand a1, die Seite M2M3 den Achsabstand a2 und die dritte Seite M1M3 den Achsabstand a3 bezeichnen. Auf den Mittelpunkt M2 wirkt eine Kraft F_W, dargestellt durch einen Pfeil, d. h. die Kraft F_W wirkt auf die die Zahnräder Z2, Z3 tragende Welle. Eine Verschiebung des Mittelpunktes M2 in Richtung auf die Seite a3 führt zu einer Verringerung der Achsabstände a1, a2. Dies ist der Grundgedanke der Erfindung, um ein Spiel zwischen den Zahneingriffen Z1/Z2 und Z3/Z4 auszugleichen.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 11, ausgebildet als Exzenter-System, zur Veränderung der Achsabstände, wie sie in 2 dargestellt sind, d. h. der Achsabstände a1, a2. Eine Welle 12 weist einen Mittelpunkt M2 auf, welcher dem Punkt M2 in 2 entspricht. Die Welle 12 ist in einem Lager 13 drehbar gelagert. Die Welle 12 und das Lager 13 sind in einem inneren Exzenter 14 aufgenommen, der seinerseits in einem äußeren Exzenter 15 angeordnet ist. Der äußere Exzenter 15 weist einen Mittelpunkt E1 auf und ist um den Mittelpunkt E1 schwenkbar in einem Getriebegehäuse 16, angedeutet durch eine Schraffur, gelagert. Hierzu weist der äußere Exzenter 15 einen Hebel 15a mit einem Hebelarm b auf, an welchen eine Verstellkraft, dargestellt durch einen Pfeil mit der Bezeichnung F_V, angreift. Die Verstellkraft F_V kann durch eine nicht dargestellte Druckfeder aufgebracht werden. Dem Mittel- und Drehpunkt E1 des äußeren Exzenters 5 sind die Koordinaten x, z, dargestellt durch zwei Koordinatenachsen, zugeordnet. Der innere Exzenter 14 weist einen Mittelpunkt E2 auf, welcher gegenüber dem Mittelpunkt E1 des äußeren Exzenters 15 um die Exzentrizität e in negativer z-Richtung versetzt ist. Der Mittelpunkt M2 der Welle 12 weist gegenüber dem Mittelpunkt E1 ebenfalls die Exzentrizität e auf.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 wird im Folgenden beschrieben: Die Verstellkraft F_V, welche auf den Hebel 15a wirkt, bewirkt eine Verschwenkung des äußeren Exzenters 15 gegenüber dem Gehäuse 16 um seinen Dreh- und Mittelpunkt E1 entgegen dem Uhrzeigersinn. Diese Verschwenkung des äußeren Exzenters 15 führt zu einer Verschiebung des Wellenmittelpunktes M2 in negativer x-Richtung, d. h. der Mittelpunkt M2 der Welle 12 wird – in der Zeichnung – nach rechts verschoben. Dabei wirkt auf die Welle 12 eine Kraft F_W, dargestellt durch einen relativ langen Pfeil. Die Verschiebewege des Hebels 15a und des Wellenmittelpunktes M2 verhalten sich wie das Verhältnis aus dem Hebelarm b und der Exzentrizität e. Im umgekehrten Verhältnis verhalten sich die Verstellkraft F_V zu der Kraft F_W auf die Welle 12. Durch die Verschiebung des Wellenmittelpunktes M2 ergibt sich – wie aus 2 erkennbar – eine Verringerung der Achsabstände a1, a2. Damit wird ein Zahnspiel ausgeglichen.
Zusätzlich zu der durch die Verstellkraft F_V bewirkten Verschiebung in x-Richtung ist eine Verschiebung des Wellenmittelpunktes M2 in z-Richtung möglich – dies erfolgt durch eine Drehung des inneren Exzenters 14 um seinen Mittelpunkt E2 innerhalb des äußeren Exzenters 15. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad in z-Richtung erlaubt eine automatische Zentrierung der Welle 12 zwischen den beiden Mittelpunkten M1, M3 bzw. den betreffenden Wellen. Damit wird der Vorteil erreicht, dass ein ungleiches Spiel der Zahneingriffe automatisch ausgeglichen wird.
Bezugszeichenliste

1: Welle
2: Welle
3: Welle
4: Vorrichtung
5: Gleitstück
6: Befestigungsplatte
7: Druckfeder
10: Stirnradgetriebe
11: Vorrichtung
12: Welle
13: Lager
14: innerer Exzenter
15: äußerer Exzenter
15a: Hebel
16: Getriebegehäuse
a1: Achsabstand
a2: Achsabstand
a3: Achsabstand
b: Hebelarm
e: Exzentrizität
E1: Mittelpunkt
E2: Mittelpunkt
FV: Verstellkraft
FW: Kraft auf Welle
M1: Mittelpunkt
M2: Mittelpunkt
M3: Mittelpunkt
Z1: Zahnrad
Z2: Zahnrad
Z3: Zahnrad
Z4: Zahnrad
Z5: Zahnrad
Z6: Zahnrad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19853635 A1 [0003]

Claims

Anordnung von mindestens zwei Zahnradstufen in einem Getriebe, wobei jeweils zwei Zahnradstufen (Z1/Z2, Z3/Z4) paarweise miteinander in Eingriff stehende, auf drei Wellen (1, 2, 3) angeordnete Zahnräder (Z1, Z2, Z3, Z4) mit Mittelpunkten (M1, M2, M3) umfassen, welche Eckpunkte eines Dreiecks bilden, bei dem die erste Seite (M1M2) den Achsabstand (a1) der ersten Stufe (Z1/Z2), die zweite Seite (M2M3) den Achsabstand (a2) der zweiten Stufe (Z3/Z4) und die dritte Seite (M1M3) den Achsabstand (a3) der beiden äußeren Wellen (1, 3) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der mittleren Welle (2) mit dem Mittelpunkt (M2) eine Vorrichtung (4, 11) zur Veränderung der Achsabstände (a1, a2) angeordnet ist und dass die Vorrichtung (4, 11) eine Kraft (F_W) auf die mittlere Welle (2) in Richtung auf die dritte Seite (M1M3) ausübt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft F_W durch eine Feder (7) ausgeübt wird, welche Teil der Vorrichtung (4, 11) ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (4) ein durch die Feder (7) belastetes Gleitstück (5) umfasst, welches sich an der mittleren Welle (2) oder einem Lager der mittleren Welle (2) abstützt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (11) einen Exzenter (15) umfasst, welcher die mittlere Welle (12) aufnimmt und ortsfest gelagert ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Exzenter (15) ein innerer Exzenter (14) angeordnet ist, in welchem die mittlere Welle (12) aufgenommen ist.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (15) einen Hebel (15a) aufweist, über welchen der Exzenter (15) mit innerem Exzenter (14) und mittlerer Welle (12) verschwenkbar ist.
Anordnung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (15) einen Dreh- und Mittelpunkt (E1) und der innere Exzenter (14) einen Mittelpunkt (E2) aufweisen, dass dem Mittelpunkt (E1) die ortsfesten Koordinaten (x, z) zugeordnet und dass die Mittelpunkte (E1, E2) um die Exzentrizität e in z-Richtung gegeneinander versetzt sind.
Anordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Welle (12) gegenüber dem inneren Exzenter (14) über ein Lager (13) drehbar aufgenommen ist.
Anordnung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (15a), an welchem eine Verstellkraft (F_V) angreift, einen Hebelarm (b) in Bezug auf den Dreh- und Mittelpunkt (E1) aufweist, wobei b großer als e ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Welle (12) in z-Richtung verschiebbar ist.
Verfahren zur Veränderung der Achsabstände (a1, a2) bei einer Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Verstellkraft (F_V) auf den Hebel (15a) aufgebracht, – der Exzenter (15) um den Dreh- und Mittelpunkt (E1) verschwenkt und – die mittlere Welle (12) entgegen der Richtung der Verstellkraft (F_V) in x-Richtung verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Exzenter (14) ein Ausweichen der mittleren Welle (12) in z-Richtung zulässt.