-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verzahnungskörper gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Verzahnungskörpers.
-
Ein derartiger Verzahnungskörper ist aus der
GB 805 672 A bekannt. Insbesondere wird in der
GB 805 672 A ein aus einem zylindrischen Ring bestehendes Zahnrad beschrieben, wobei der Ring an seinem Außenumfang ein Zahnprofil aufweist und mittels endseitigen Platten auf einer Welle montiert ist. In den Innenhohlraum dieses hohlen Zahnrades wird über eine in der Welle vorgesehene Einlassbohrung ein Kühlmittel eingeleitet, das durch eine drehfest mit der Welle verbundene Trommel in einem U-förmigen Strömungspfad um die Trommel herum geführt wird.
-
Die
DE 20 2006 011 330 U1 offenbart ein Schmierritzel mit radialen Schmierölkanälen, die in offenen Quernuten auf den Flanken der Zähen münden.
-
Zur Übertragung von Bewegungen werden vielfach Verzahnungskörper in verschiedenen Ausbildungen und Anordnungen eingesetzt, häufig in Form von Getrieben. Sowohl die Verlustleistung als auch der Wirkungsgrad sind entscheidende Faktoren bei der Betrachtung ihrer Wirtschaftlichkeit.
-
Die Verlustleistung ergibt sich aus Zahnradreibungsverlusten und Zahnradleerlaufverlusten. Um eine leichtgängige Bewegung von Verzahnungskörpern zu ermöglichen, den Verschleiß zu minimieren und somit die Verlustleistung zu reduzieren, ist der Einsatz von Schmierstoff im Allgemeinen zwingend notwendig.
-
Die Verlustleistung wird zumeist als unerwünschte Wärmeentwicklung spürbar. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Verzahnungskörpers zu erreichen, wird die Wärmeentstehung möglichst vermieden. Dennoch entstandene Wärme muss abtransportiert werden, um ein Überhitzen sowie damit einhergehende Beschädigungen der Verzahnungskörper zu vermeiden.
-
Auf Grund der abgeführten Wärmemenge und der entstehenden Verlustleistung stellt sich eine Beharrungstemperatur als Folge des Wärmegleichgewichts ein.
-
Es ist allgemein bekannt, dass der Schmierstoff neben der Schmierung die Aufgabe des Wärmeabtransportes übernimmt. Der erwärmte Schmierstoff, im allgemeinen Öl, wird dann vom Verzahnungskörper weggeleitet und teilweise werden über 80% des eingesetzten Schmierstoffs zur Kühlung von Verzahnungskörpern benötigt. Der erhöhte Schmierstoffbedarf führt zu erhöhten Zahnradleerlaufverlusten und verringert daher den Wirkungsgrad des Getriebes.
-
Vor allem bei niedrigen Geschwindigkeiten von Verzahnungskörpern ist die Anwendung einer Tauchschmierung allgemein bekannt. Dabei taucht ein Verzahnungskörper oder ein mit ihm kämmender Tauchkörper zu einem Teilbereich in ein Schmierstoffbad (i. allg. ein Schmierölbad) ein und verteilt auf diese Weise den Schmierstoff auf sich selbst, sowie auf mit ihm in Eingriff stehenden Verzahnungskörper. Bei einer Tauchschmierung ist auch der Einsatz von Spritzscheiben, Schöpfrädern oder Schöpfarmen möglich, um den Schmierstoff zu verteilen.
-
Jedoch führt eine Tauchschmierung zu hohen Zahnradleerlaufverlusten, welche bei den zuvor beschriebenen Geschwindigkeiten vorwiegend durch Plantschverluste verursacht werden. Diese hängen vor allem von der Eintauchtiefe der Zähne, der Anzahl der tauchenden Zähne sowie der Schmierstoffzähigkeit ab.
-
Ferner ist das Schmierverfahren der Einspritzschmierung bekannt, bei dem der Schmierstoff auf den Verzahnungskörper gespritzt wird. Dies geschieht über eine Düse und Plantschverluste werden somit verringert. Überdies bietet eine Einspritzschmierung die Möglichkeit den Schmierstoff in einem Kreislauf zu kühlen, zu filtern und je nach notwendigem Wärmeabtransport zu dosieren.
-
Bei dieser Art der Schmierstoffzuführung bestehen Zahnradleerlaufverluste aus Quetschverlusten, Verlustleistung aus Beschleunigen und Umlenken des eingespritzten Schmierstoffs und Ventilationsverlusten. Die eingespritzte Schmierstoffmenge beeinflusst die Zahnradleerlaufverluste etwa proportional.
-
Eine weitere allgemein bekannte Möglichkeit zur Aufbringung eines Schmierstoffes auf einem Verzahnungskörper ist eine Nebelschmierung. Dabei wird der zerstäubte Schmierstoff unter geringem Druck eingesprüht und benetzt somit die Verzahnungskörper.
-
Die Versorgung eines Verzahnungskörpers mit einem Schmierstoff durch eine Nebelschmierung ist bei hohen Belastungen und/oder Geschwindigkeiten für die Wärmeabfuhr nicht ausreichend und würde in einem solchen Betriebszustand zu sehr hohen Beharrungstemperaturen führen. Deshalb kann unter diesen Bedingungen eine Nebelschmierung nicht eingesetzt werden.
-
Zudem ist es bekannt, einen Verzahnungskörper mit einem weiteren Verzahnungskörper aus einem kompakten Festschmierstoff in Eingriff zu bringen und somit die notwendige Schmierung zu gewährleisten.
-
Allerdings ist auch diese Möglichkeit nicht geeignet, um große Wärmemengen bei hohen Belastungen und/oder Geschwindigkeiten abzuführen.
-
Die genannten Schmier- und Kühlmöglichkeiten, bei welchen ein Schmierstoff an einen Verzahnungskörper aufgebracht wird, haben den Nachteil gemeinsam, dass bei hohen Kräften und/oder Geschwindigkeiten große Mengen an Schmierstoff notwendig sind um eine ausreichende Wärmeabfuhr zu erreichen und dadurch die Verlustleistung erhöht wird, was zu einem geringeren Wirkungsgrad führt.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verzahnungskörper anzugeben, dessen Schmierstoffbedarf im Rahmen einer Bewegungsübertragungsvorrichtung, insbesondere eines Getriebes, vermindert und dessen Wirkungsgrad erhöht ist.
-
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Bewegungsübertragungsvorrichtung, insbesondere Getriebe, mit einem derartigen Verzahnungskörper anzugeben.
-
Der Erfindung liegt überdies die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Verzahnungskörpers anzugeben, das eine vielseitige Herstellung unter Berücksichtigung der Einsatzverhältnisse hinsichtlich Kühlung und/oder Schmierung des Verzahnungskörpers gestattet.
-
Die vorgenannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Verzahnungskörper mit den Merkmalen des Anspruches 1, ferner hinsichtlich der Bewegungsübertragungsvorrichtung durch die Merkmale des Anspruches 3 gelöst.
-
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung des Verzahnungskörpers wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 4 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die Grundüberlegung der vorliegenden Erfindung liegt in der funktionalen Trennung von Kühlung und Schmierung des Verzahnungskörpers. Indem der zur Reibungsverminderung des Bewegungseingriffes des Verzahnungskörpers erforderliche Schmierstoff, insbesondere Schmieröl, von seiner Aufgabe, zusätzlich zur Funktion der Schmierung auch noch die Funktion der Kühlung zu übernehmen, weitestgehend entbunden wird, können die Anforderungen an die Bereitstellung von Schmiermittel für den Prozess der Bewegungsübertragung reduziert werden.
-
Für die Kühlung ist erfindungsgemäß eine eigene Kühlstruktur vorgesehen. Diese kann ein eigenes Kühlmittel zusätzlich zu dem Schmiermittel umfassen, oder aber das Schmiermittel kann auch zugleich Kühlmittel sein, wobei dieses jedenfalls dem Verzahnungskörper (oder anderen Bewegungsübertragungselementen) in einer von der Schmierstoffbereitstellung verschiedenen Weise zugeführt wird, um diese zu kühlen.
-
Vorzugsweise ermöglicht ein Kühlmedium, das durch einen Fluidströmungskanal des Verzahnungskörpers strömt, den Abtransport von Wärme nach außerhalb des Verzahnungskörpers (oder anderen Bewegungsübertragungselementen). Aus diesem Grund kann die benötigte Schmiermittelmenge, die an der Oberfläche des Verzahnungskörpers benötigt wird, reduziert werden. Es verringert sich die Verlustleistung an dem Verzahnungskörper und der Wirkungsgrad steigt.
-
Es erweist sich als besonders vorteilhaft, dass der Fluidströmungskanal für das Kühlmedium zumindest teilweise im Inneren des Verzahnungskörpers verläuft. Das Kühlmedium kann über die Außenfläche des Fluidströmungskanals Wärme aufnehmen und abtransportieren. Bei einem Verlauf eines Kühlfluid-Strömungskanales im Inneren des Verzahnungskörpers vergrößert sich die Fläche zwischen Kühlmedium und Verzahnungskörper, so dass eine größere Wärmemenge abtransportiert und die Beharrungstemperatur reduziert werden kann.
-
Insbesondere ist es ein Vorteil, dass jedem Zahn zumindest ein Fluidströmungskanal zugeordnet ist. Dies ermöglicht einen gleichmäßigen Wärmeabtransport am Verzahnungskörper durch das Kühlmedium und die Kühlwirkung kann erhöht werden. Dies gilt natürlich umso mehr, wenn beide Verzahnungskörper eines miteinander in Eingriff befindlichen Verzahnungskörpers mit einer Kühlstruktur versehen sind.
-
Der Auslass liegt außerhalb des Eingriffsbereiches des Verzahnungskörpers, wodurch ein getrennter Schmier- und Kühlkreislauf realisiert werden kann. Dadurch, dass der Schmierstoff im Wesentlichen nicht mehr zum Kühlen verwendet wird, lässt sich die Temperatur des Schmierstoffs verringern und die Lebensdauer des Schmierstoffs erhöhen.
-
Der Fluidströmungskanal verläuft zumindest teilweise zwischen den gegenüberliegenden Zahnflanken eines Zahnes und benachbart der Eingriffsfläche. Dadurch strömt das Kühlmedium nahe der Zahnflanken durch den Verzahnungskörper, wo die größte Wärmemenge entsteht und der Wärmeabtransport ist daher besonders effektiv.
-
Der Fluidströmungskanal ist ein Kühlkanal und erstreckt sich im Verzahnungskörper von innen nach außen, wobei eine der Anzahl der Zähne entsprechende Anzahl von radialen Kühlkanälen vorgesehen ist, die auf einer Stirnfläche oder bei einem Zahnrad, den gegenüberliegenden Stirnflächen (die radial zur Zahnradachse verlaufen) münden oder innerhalb des Zahnrades wieder nach innen zu einem Kühlmittelvorrat unter Ausbildung eines Strömungskreislaufes zurückgeführt werden.
-
So sind auf einem Nabenabschnitt des Zahnrades, axial beabstandet, ein Satz Eintrittsöffnungen von Kühlkanälen und ein Satz Austrittöffnungen der Kühlkanäle angeordnet sein. Da der Fluidströmungskanal ein reiner, d. h. ausschließlicher Kühlkanal ist, ergibt sich ein getrennter Kühl- und Schmierstoffkreislauf, für welche auch unterschiedliche Medien verwendet werden können. Somit kann sowohl der Kühl- als auch der Schmierstoff auf seine Funktion hin optimiert werden.
-
Überdies kann der Verzahnungskörper eine Rotationsachse oder lineare Bewegungsachse und/oder eine gerade, schräge oder gebogene Verzahnung aufweisen.
-
Ferner ist der Verzahnungskörper mit einer Rotationsachse, vorzugsweise als Zahnrad ausgebildet und der Verzahnungskörper mit einer linearen Bewegungsachse ist vorzugsweise als Zahnstange ausgebildet.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung ist mit dem Verzahnungskörper außerhalb des Kraftflusses ein Verzahnungskörper aus Festschmierstoff im Kämmeingriff. Der leer mitlaufende Festschmierstoff-Verzahnungskörper wird dabei abgetragen und gewährleistet die Schmierung von Schmiermittel des Verzahnungseingriffes des Verzahnungskörpers durch unmittelbaren Übertrag auf die Zahnflanken des Verzahnungsköpers.
-
Der Verzahnungskörper wird vorzugsweise erfindungsgemäß durch ein generatives Fertigungsverfahren, wie Rapid Prototyping oder Rapid Manufacturing hergestellt. Falls der Verzahnungskörper als Prototyp eingesetzt wird, bezeichnet man das Herstellungsverfahren als Rapid Prototyping. Folgt ein Einsatz des Verzahnungskörpers als Fertigteil, wird das Herstellungsverfahren als Rapid Manufacturing bezeichnet. Dabei lässt sich ein Fluidströmungskanal besonders vorteilhaft in den Verzahnungskörper integrieren und notwendige geometrische Freiheiten des Verzahnungskörpers sind leicht erreichbar.
-
Vorzugsweise wird der Verzahnungskörpers durch selektives Lasersintern oder selektives Laserschmelzen hergestellt. Diese Verfahren ermöglichen die Herstellung von Verzahnungskörpern aus dafür besonders geeigneten Werkstoffen wie Metall oder Stahl.
-
Im Rahmen der vorerwähnten Herstellungs- und Formgebungsverfahren sind besonders günstig auch Kühlmittelführungskanäle in den Verzahnungskörpern herstellbar, die einen verlängerten Strömungsweg bilden, z. B. indem sie mäanderförmig oder in anderer Weise mit verlängertem Strömungsweg nahe der Oberfläche des Verzahnungskörpers ausgebildet sind.
-
Insbesondere ist es ein Vorteil, wenn der Verzahnungskörper nachbearbeitet wird. Dadurch kann eine hohe Formgenauigkeit und Oberflächengüte erzeugt werden.
-
Vorzugsweise wird der Verzahnungskörpers durch Profilschleifen oder Wälzfräsen nachbearbeitet.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
-
1 ein Zahnrad nach einem ersten Ausführungsbeispiel, und
-
2 einen Teilschnitt des Zahnrades nach 1.
-
In 1 ist schematisch ein Zahnrad 1 nach einem Ausführungsbeispiel gezeigt, welches durch ein generatives Verfahren erzeugt wurde. Bei einem Rapid Prototyping oder Rapid Manufacturing Prozess wird der Körper des Zahnrades 1 und darin enthaltene Fluidströmungskanäle 2 schichtweise hergestellt. Bei der Erstellung dieser Schichten werden Aussparungen erzeugt, die später die Fluidströmungskanäle (Kühlkanäle) 2 (s. 2) bilden. Das Zahnrad 1 wird bevorzugt partiell durch selektives Lasersintern oder partiell durch selektives Laserschmelzen aus einem metallischen Werkstoff erzeugt. Anschließend wird das Zahnrad 1 durch Profilschleifen oder Wälzfräsen nachbearbeitet.
-
Das gasförmige oder flüssige Kühlmedium wird im inneren Nebenbereich des Zahnrades 1 in die sich dort mittels Eintrittsöffnungen 2a öffnenden Fluidströmungskanäle (Kühlkanäle) 2 nach radial auswärts geführt und strömt z. B. durch achsparallele Kanalabschnitte 2b im Kopfbereich der Zähne 3 entweder nach außen (in 1 oder 2 nicht gezeigt) oder durch Rückströmung des Kühlmediums innerhalb des Zahnrades 3 wieder zur Nabe des Zahnrades 3 hin mit Austritt in einem Kranz von Austrittsöffnungen 2c in diesen Bereich.
-
In 2 sind die Fluidströmungskanäle (Kühlkanäle) 2 im Inneren des Zahnrads gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die Fluidströmungskanäle 2 sind Kühlkanäle und durch jeden Zahn 3 wird zumindest ein Kühlkanal geführt. Vorzugsweise sind im Bereich eines oder mehrerer Zähne 3 eine Mehrzahl von Kühlkanälen vorgesehen. In Abhängigkeit vom Verhältnis Oberfläche des Kühlkanales/Volumen verbessert sich die Kühlleistung und homogenisiert sich die Wärmeabfuhr. Gegebenenfalls ist ein Kühlkanal z. B. mäanderförmig möglichst dicht unter der zu kühlenden Oberfläche des Zahnkörpers (Zahn 3) geführt. In einem Abschnitt verläuft der Kühlkanal 2 z. B. zwischen Kopfkreisdurchmesser und Fußkreisdurchmesser des Zahnrades 1. Der Kühlkanal 2 kann sich in diesem Abschnitt z. B. annähernd über die gesamte Zahnbreite parallel zur Eingriffsfläche des jeweils nächstgelegenen Zahns 3 erstrecken, bevor er sich zu beiden Seiten des Abschnitts z. B. um 90° krümmt und in Richtung der Rotationsachse des Zahnrades verläuft. Diesem Abschnitt wird von einer Seite her ein Kühlmedium, z. B. eine Kühlflüssigkeit zugeführt und auf der gegenüberliegenden Seite wird das Kühlmedium abgeführt. Der Kühlkanal 2 wird von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium durchströmt, so dass die Beharrungstemperatur reduziert werden kann. Das Kühlmedium, z. B. Kühlflüssigkeit wird vorzugsweise in einem geschlossenen Kühlkreislauf geführt und wird außerhalb des Zahnrades 1 abgekühlt, ehe es wieder zurückgeführt wird. Als Schmierstoff wird Öl eingesetzt, um die neben der Kühlung notwendige Schmierung zu gewährleisten. Da das Öl keine Kühlung übernehmen muß, kann seine Menge deutlich reduziert werden.
-
Es wurde bereites darauf hingewiesen, dass das Zahnrad 1 z. B. durch ein aus Schmierstoff bestehendes und mit dem Zahnrad 1 in Kämmeingriff befindliches Schmierstoff-Zahnrad, das außerhalb des Lastweges leer mitläuft, geschmiert werden kann. Der Festschmierstoff schmiert das Zahnrad 1, wobei stetiger Abtrag der mit den Zähnen 3 in Eingriff befindlichen Zähne des (hier nicht gezeigten) Schmierstoff-Zahnrades realisiert wird. Gestaltung und Anordnung der Kühlkanäle 2 sind in weitem Rahmen variabel, so kann z. B. der Kühlkanal 2 auf der Zahnfläche des Zahnrades 1 münden. Vorzugsweise ist jedem Zahn 3 ein Fluidströmungskanal (Kühlkanal) 2 zugeordnet.
-
Die Fluidströmungskanäle (Kühlkanäle) 2 können auch als Kühl- und Schmierkanäle dienen und es kann auf eine Trennung der Medien zur Kühlung und zur Schmierung verzichtet werden. Kühlmittel und Schmierstoff, in einem solchen Ausführungsbeispiel Öl, strömt in geringem Maße (wenige ml/h, kleine Kühlkanalquerschnitte) zunächst durch die Fluidströmungskanäle 2 in Richtung der Zähne 3 und erzeugt eine Kühlwirkung. Nach seinem Austritt, z. B. im Bereich der Zahnflanken, schmiert es die Zähne 3 direkt an den Eingriffsflächen (Zahnflanken 4). Die einzelnen Fluidströmungskanäle 2 verlaufen radial von der Rotationsachse nach außen und sind im Bereich innerhalb eines Zahns 3 gekrümmt. Das Öl befindet sich in einem gemeinsamen Behälter oder gemeinsamen Kreislauf. Vorzugsweise wird Öl nahezu vollständig (99%) von Zahnflanke 4 und Zahnfuß wieder zurückgeführt und strömt allenfalls geringfügig frei nach außen.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann ein Zahnrad der vorgenannten Ausführung in Kombination mit einer Einspritzschmierung, Nebelschmierung oder Tauchschmierung eingesetzt werden. Dadurch kann ein Zahnrad mit verringertem Schmierstoffeinsatz verwendet werden und somit verringert sich die Verlustleistung.
-
Die Schnittdarstellung nach 2 verdeutlich die Kühlmittelführung mittels der Kühlkanäle 2 im Verzahnungsbereich eines Zahnrades 1, einschl. Zu- und Rückführung. Mit 2a sind die Einlassöffnungen der Kühlkanäle 2 mit 2c die Auslassöffnungen bezeichnet.
-
Die Grundsätze der vorliegenden Erfindung (Trennung von Kühlung und Schmierung) sind auf andere Bewegungsübertragungsvorrichtungen, wie Kupplungen oder Lager übertragbar und auch nicht auf bestimmte Getriebe beschränkt. Sie können daher z. B. auch ei Schraubradgetrieben, Schneckengetrieben, Kettengetrieben, Riemengetrieben, Reibradgetrieben und anderen stufenlos variablen Getrieben verwendet werden.
-
Ggf. kann auch auf Fluidströmungskanäle für die Kühlung zurückgegriffen werden, die primär anderen Zwecken bei dem betreffenden Bauteil dienen, die Kühlmittelströmungs- und -führungsfunktion jedoch ebenfalls (zusätzlich) übernehmen.
-
Hinsichtlich der Anwendung in Verbindung mit Verzahnungskörpern kann die Erfindung (Kühlkanäle oder Hohlräume) an oder in einem Zahnrad oder anderen Verzahnungskörpern (z. B. Zahnstange) bei Zahnradgetrieben oder Verzahnungen in Bewegungsübertragungsvorrichtungen aller Art (z. B. Stirnrad-, Kegelrad-, Planetengetriebe etc.) unabhängig von der Zahnform (z. B. evolventisch), Zahnrichtung (Geradverzahnung, Schrägverzahnung, Bogenverzahnung) und der Lage der Achsen vorgesehen sein.
