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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Wälzgetriebe mindestens ein erstes Rad und ein zweites Rad sowie mindestens ein Rollelement in einer Drehmomente übertragenden Wirkverbindung der Räder aufweisend, wobei die Räder in der Wirkverbindung über das Rollelement aneinander abgestützt sind, wobei das erste Rad ein Zahnrad mit einer ersten Verzahnung ist, und wobei jeweils zwei erste Zähne der ersten Verzahnung eine erste Zahnlücke begrenzen, und wobei das Rollelement in die erste Zahnlücke eingreift und dabei kraftübertragend zwischen den beiden Rädern angeordnet ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Zahnräder sind Maschinenelemente, die im paarweisen Einsatz Drehmomente übertragen können. Diese Drehmomente werden durch den wälzenden Kontakt der im Zahneingriff stehenden Zähne der Verzahnungen dieser Zahnräder übertragen. Dabei werden die Drehmomente an den Zähnen in Zahnkräfte umgesetzt und übertragen. Die am häufigsten vorkommende Zahnradpaarung ist durch Stirnräder gebildet. Jedes Zahnrad ist jeweils mit einem außenzylindrischen Grundkörper und davon abstehender Stirnverzahnung versehen. Die Stirnverzahnung steht im Zahneingriff mit der anderen Stirnverzahnung des Stirnradpaares. Die Rotationsachsen der Zahnräder nehmen eine festgelegte parallele Position zueinander ein, die über den Achsabstand definiert ist. Ein Wälzgetriebe weist zumindest ein Zahnradpaar auf. In weiteren Wälzgetrieben mit Kegelrädern verlaufen die Rotationsachsen geneigt zueinander, wie die in Kegelrad- bzw. Hypoidgetrieben.
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Das jeweilige Zahnrad eines Wälzgetriebes muss soweit fehlerfrei ausgeführt sein, dass es bei Drehung um seine Rotationsachse mit gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit das andere im Zahneingriff stehenden Zahnrad ebenfalls mit gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit um dessen Rotationsachse in Drehung versetzen kann. Dies setzt korrekte Geometrien der miteinander wirkenden Zahnprofile und genau eingehaltene Achsabstände der Rotationsachsen der Zahnräder voraus. Wenn man einen Zahneingriff in einer beliebigen Querschnittsebene betrachtet, berühren sich die Flanken zweier Zähne in einem Eingriffspunkt. Wenn die Flanken aufeinander abwälzen, bewegt sich der Eingriffspunkt auf einer Eingriffsgeraden. Bei der idealen Bewegungsübertragung sollen die gedachten Wälzzylinder oder Wälzkegel im Eingriffspunkt aufeinander abrollen ohne aneinander abzugleiten. Tatsächlich jedoch wälzen und gleiten die beiden im Zahnkontakt stehenden Zähne im Wälzbetrieb aneinander ab, was im Allgemeinen als Wälzgleiten bezeichnet wird. Die durch das Gleiten entstehende Reibung wirkt sich nachteilig auf den Wirkungsgrad des Wälzgetriebes aus.
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Verbesserte Abwälzverhältnisse können theoretisch mit dem Einsatz von Zahnrädern mit Zykloidenverzahnungen erzielt werden. In Zykloidenverzahnungen ist die Flanke eines Zahns oberhalb des Wälzpunktes eine Epizykloide und unterhalb eine Hypozykloide. Auf die Gestalt der Zahnflanke dieser Verzahnung interpretiert heißt das, dass die Flanken des Zahns oberhalb des Wälzpunktes nach außen konvex und unterhalb des Wälzpunktes in den Zahn hinein konkav gekrümmt verlaufen. Daraus lässt sich ableiten, dass im Wälzkontakt der Zahnräder immer ein konvexes Zahnprofil mit einem konkaven Zahnprofil im Zahnkontakt steht. Derartige Zahnkontakte sind auch aus Wälzgetrieben mit Wildhaber-Novikov-Verzahnungen bekannt. Um ideale Eingriffs- und Reibungsverhältnisse zu erzielen, müssen die Zähne eines derartigen Räderpaares speziell aneinander angepasst auslegt werden. Die Eingriffstiefe dieser Verzahnungen ist kritischer als bei der üblicherweise verwendeten Evolventenverzahnung. Der rechnerisch ermittelte ideale Abstand der Rotationsachsen bzw. die optimale Lage der Zahnprofile zueinander ist nicht in jedem Falle der optimale Wert. Die Positionen der Zähne und deren Zahnprofile müssen zusätzlich empirisch aneinander angepasst werden. Die Anordnung ist darüber hinaus im Einbau empfindlich gegenüber Änderungen der Achsabstände, die beispielsweise durch fertigungs- und montagebedingte Einbautoleranzen verursacht sind. Außerdem sind die Herstellung des Verzahnungsprofils und die dazu notwendigen Werkzeuge von Zykloidenverzahnungen aufwändig und dementsprechend teuer.
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Die Triebstockverzahnung ist ein Sonderfall der Zykloidenverzahnung. In einem Wälzgetriebe mit Triebstockverzahnung ist anstelle eines Zahnrades ein Rad mit mehreren Bolzen, die auch als Zapfen bezeichnet sind, eingesetzt. Die zumeist zylindrischen Zapfen sind wie die Zähne eines Zahnrades mit gleichmäßiger Teilung zueinander am Umfang des Grundkörpers verteilt und seitlich in Wangen aufgenommen. Die Zapfenachsen sind dabei parallel zueinander und zumeist parallel zur Rotationsachse des Getrieberades ausgerichtet, so dass sich umfangsseitig eine leiterartig ausgebildete Struktur ergibt. Die Sprossen sind dabei durch die Zapfen und die Holme durch die Wangen des Getrieberades gebildet. Die Räder dieses Wälzgetriebes stehen miteinander im Eingriff, in dem jeweils einer der Zähne des Zahnrades in eine von zwei Sprossen und Holmen bzw. von zwei Bolzen und Wangen begrenzte Lücke eingreift. Derartige Anordnungen sind relativ ungenau, nur für groben Einbau und Betrieb und dementsprechend nur für den Einsatz mit geringen Umfangsgeschwindigkeiten geeignet.
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DE 103 28 421 A1 zeigt ein Rad für ein Wälzgetriebe mit einer einfachen modernen Triebstockverzahnung. Am Grundkörper des Rades sind links und rechts axial endseitig des Grundkörpers Wangen ausgebildet, die jeweils mit Lochbildern versehen sind. Die Lochbilder sind von Wange zu Wange identisch und weisen mit gleichmäßiger Teilung zueinander am Umfang verteilte Löcher auf. Die Achsen der von Bord zu Bord einander gegenüberliegenden Löcher fluchten miteinander und sind entweder parallel zur Rotationsachse des Rades ausgerichtet oder für Anwendungen mit Schrägverzahnungen zur Axialrichtung der Rotationsachse geneigt. Die Bolzen der Triebstockverzahnung sind mit oder ohne Hilfe von Lagern links und rechts um die eigene Bolzenachse rotierbar in den Wangen gelagert. Wenn im Wälzgetriebe der jeweilige Zahn mit Zykloidenverzahnung des Zahnrades in eine Lücke zwischen zwei Bolzen der Triebstockverzahnung des Rades eingreift und dabei einen der Bolzen im Gleitwälzkontakt kontaktiert, kann sich der Bolzen um die eigene Bolzenachse drehen. Auf diese Weise kann wenigstens ein Anteil der Gleitreibung des Wälzgleitkontaktes in Wälzkontakt gewandelt werden.
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In
US 5,247,847 A zeigt über die in
DE 103 28 421 A1 beschriebene Anordnung hinaus ein Wälzgetriebe in der Art eines Kegelradgetriebes, in dem ein verzahntes Kegelrad mit einem Kegelrad mit Triebstockverzahnung kämmt. Als Besonderheiten sind hierbei die zueinander geneigten Rotationsachsen der Zahnräder, die zur Rotationsachse des Rades mit der Triebstockverzahnung geneigten Bolzenachsen der Bolzen und deren konische Außenkontur anzusehen.
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Ein gattungsgemäßes Wälzgetriebe mit einer sich von der zuvor beschriebenen klassischen Triebstockverzahnung unterscheidenden Triebstockverzahnung ist in
EP 2 441 979 B1 beschrieben. Es weist ein Zahnrad auf, in dessen Zahnlücken Bolzen eingreifen. Die Bolzen sind jeweils von einem hülsenförmigen Rollelement umgeben. Jedes dieser Rollelemente sitzt um die eigene Achse rotierbar auf einem der Bolzen. Das Zahnrad und das Rad mit der Triebstockverzahnung und die Bolzen stehen so miteinander im Eingriff, dass wenigstens ein von dem Rollelement umgebener Bolzen in die Zahnlücke des Zahnrads eingreift. Die Kraftübertragung zwischen den beiden miteinander im Eingriff stehenden Rädern ist dabei über den Kontakt mit dem Rollelement gerichtet, an dem sich innen der jeweilige Bolzen des Rades und außen ein Zahn der Verzahnung des Zahnrades abstützt. Der Kontakt zwischen den beiden Rädern ist also nicht direkt. Stattdessen ist das Rollelement kraftübertragend zwischen die beiden Räder geschaltet, so dass die Wirkverbindung zwischen den beiden Rädern über die zwischen dem jeweiligen Zahn und dem Bolzen eingeklemmte Wand des Rollelements hergestellt ist.
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WO01/46605A1 zeigt ein gattungsgemäßes Wälzgetriebe mit zwei Zahnrädern, die über zylindrische Rollelement miteinander wirkverbunden sind. Dazu sind die Zahnlücken beider Zahnräder taschenartig konkav ausgebildet. Die jeweils eine Zahnlücke begrenzenden Zahnflanken sind durch geringfügig weniger als eine Hälfte der Innenmantelfläche eines Zylinders abbildet. Im Wälzeingriff ist durch jeweils zwei sich einander gegenüberliegende Taschen ein nahezu zylindrischer Hohlraum begrenzt, der parallel zu den Rotationsachsen der Zahnräder ausgerichtet ist. In diesen Hohlraum, der zwischen den Kopfkreisen der Verzahnungen unterbrochen ist, sitzt ein zylindrisches Rollelement, das sich eng in die Taschen schmiegt und so kraftübertragend zwischen den beiden Zahnrädern angeordnet ist. Ein Wälzgetriebe der gleichen Art ist in
DE 10 2012 220 260 A1 beschrieben. Gezeigt ist sowohl ein Stirnradgetriebe als auch ein Winkelgetriebe.
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Nach dem zuvor beschriebenen Prinzip des Zahnkontakt ist auch ein in
EP211 687 A1 beschriebenes Getriebe aufgebaut. Im Unterschied zu den zuvor genannten findet der Wälzkontakt jedoch zwischen einer Innenverzahnung es Hohlrades und einer Außenverzahnung statt.
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Das in
US 3 974 710 A gezeigte Prinzip ist mit den vorher beschriebenen Prinzipien vergleichbar. Die Rollelemente sind in diesem Fall an einer Endloskette aufgehängt, die mehrere der Zahnräder eines Druckwerks übergreifend getrieblich miteinander verbindet.
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Ein Kugelumlaufgetriebe mit zueinander senkrecht ausgerichteten Achsen der Zahnräder ist in
GB 209 737 A beschrieben. Ein von an jeder Flanke von einer Kugel flankierter Zahn greift mit den zwei Kugeln zugleich in eine Lücke zwischen zwei Zähne des anderen Zahnrades. Der Wälzkontakt wird je nach Drehrichtung ausschließlich jeweils über eine Kugeln erzielt.
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EP 1969 254 B1 zeigt ein gattungsgemäßes Wälzgetriebe, das mindestens ein erstes Rad und ein zweites Rad sowie mindestens ein Rollelement in einer Drehmomente übertragenden Wirkverbindung aufweist. Das erste Rad ist ein Zahnrad, das mit einer ersten Verzahnung versehen ist. Die Verzahnung ist durch einzelne Zähne gebildet, die mit gleichmäßiger Teilung zueinander am Umfang des Grundkörpers des Zahnrads verteilt angeordnet sind. Jeweils zwei erste Zähne der ersten Verzahnung begrenzen eine erste Zahnlücke, wobei sich jedem Zahn der ersten Verzahnung jeweils links und rechts eine Zahnlücke anschließt. Das erste Zahnrad, das zweite Rad und das Rollelement stehen so miteinander im Eingriff, dass das Rollelement und ein Zahn des anderen Zahnrads in die erste Zahnlücke eingreift und dabei kraftübertragend zwischen den beiden Rädern angeordnet ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wälzgetriebe mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen.
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Die Aufgabe ist nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach weist der zweite Zahn eine konkav gewölbte erste Zahnflanke auf, welche die Zahnlücke, in die der zweite Zahn eingreift, begrenzt und welche dem Rollelement gegenüber liegt. Dabei weist erste Zahn eine in Richtung der ersten Zahnflanke konvex ausgewölbte zweite Zahnflanke auf, die der ersten Zahnflanke an der Zahnlücke gegenüberliegt. Das Rollelement ist an der ersten Zahnflanke und zweiten Zahnflanke abwälzbar zwischen dem ersten Rad und zweiten Rad geführt.
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Erfindungsgemäß ist der Zahn hinsichtlich seines Flankenprofils wahlweise symmetrisch oder unsymmetrisch ausgebildet und weist dementsprechend eine Flanke mit konkaven Verlauf oder konvexen Verlauf auf. Der Verlauf, ob konkav oder konvex, ist jeweils in einer beliebigen Querschnittsebene des quer zur Rotationsachse geschnittenen Zahnrades betrachtet. Diese Ausgestaltungen der Erfindungen betreffen die Zähne des ersten Zahnrades und/oder die Zähne des anderen Zahnrades. Die Erfindung sieht auch Mischformen vor, d. h. z. B. Paarungen von Zähnen der Verzahnung des ersten Zahnrades, die entweder symmetrisch oder unsymmetrisch zueinander ausgebildete Flanken aufweisen, mit Verzahnungen des zweiten Zahnrades, deren Zähne wahlweise mit symmetrisch oder unsymmetrisch zueinander ausgebildeten Zahnflanken versehen sind.
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Die Verzahnung ist durch einzelne Zähne gebildet, die mit gleichmäßiger Teilung zueinander oder alternativ mit unregelmäßiger Teilung zueinander am Umfang des Grundkörpers des Zahnrads verteilt angeordnet sind.
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Das Rollelement ist in der ersten Zahnlücke um die eigene Rollenachse rotierbar so geführt, dass das Rollelement relativ zu beiden Rädern schwenk- oder rollbeweglich geführt und somit sowohl an dem ersten Zahn als auch an dem zweiten Rad abwälzbar ist. Dabei ist der radiale Abstand des Rollelements zu den Rotationsachsen der beiden Räder veränderlich. Für den Wälzbetrieb der beiden Räder heißt das, dass das Rollelement frei um die eigene Rollenachse drehbar zwischen den zwei Rädern jedoch durch Wirkung der Drehmomente kraftübertragend eingespannt ist. Es bewegt sich dabei auch entlang einer Kurvenbahn mit Steigungen von den Rotationsachsen der Räder weg und zu diesen hin. Letzteres kann mit einer geeigneten Führung des mindestens einen Rollelements so abgesichert werden, dass sich das Rollelement um die eigene Rotationsachse abwälzend entlang einer Eingriffsgeraden bewegt. Der Verlauf und die Richtung dieser Eingriffsgeraden kann mit dem der Eingriffsgeraden im idealen Wälzkontakt nach dem Grundgesetz der Verzahnung verglichen werden. Die Führung ist dabei mit einer Führungsbahn versehen, die dem Verlauf der Kurvenbahn entspricht. Dafür ist die Führung mit mindestens einer Führungsbahn versehen, in der das Rollelement, vorzugsweise jedoch alle Rollelemente des Wälzgetriebes geführt sind.
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Da die beiden Räder nicht direkt sondern über das Rollelement miteinander im Wälzkontakt stehen, ist nach den erfindungsgemäßen Merkmalen ein Wälzgetriebe mit ausschließlichem Wälzkontakt geschaffen. Weil das Rollelement an den Rädern abwälzt, bewegen sich, in Anlehnung an die Regeln des Verzahnungsgesetzes, dabei die Berührpunkte des Rollelements mit dem jeweiligen Zahn und auch die Rollenachse des Rollelements immer auf der Eingriffsgeraden.
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Mit der in
WO01/46605A1 beschriebenen Anordnung kann der Anteil der Gleitreibung im Gleitwälzkontakt nur geringfügig reduziert werden, weil das zwischen den beiden Rädern eingeklemmte zylindrische Rollelement sich zwar um seine eigene Rollenachse drehen aber radial mit konstanten Abständen zu den Rotationsachsen gehalten ist. Das liegt zum einen daran, dass die Zahnlücken der Anordnung zugleich passgerechter Führungssitz für die Rollelemente sind, d. h. die Rollelemente sind in radiale Richtungen und flankenseitig in den Zahnlücken abgestützt und können nicht ausweichen. Zum anderen ist in dem mit WO01/46605A1 beschriebenen Wälzgetriebe eine Führung vorgesehen, die die Rollelemente radial starr auf einer zylindrischen Rollbahn hält, so dass diese im Verlauf des direkten Wälzkontaktes nicht radial von einer Kreisbahn abweichen können. Demgegenüber ist das Rollelement des erfindungsgemäßen Wälzgetriebes gegenüber beiden Rädern im Wälzkontakt durch Abrollen um die eigene Rollenachse auch mit veränderlichem radialen Abstand beweglich in dem Wälzgetriebe geführt.
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Mit der mit
EP 2 441 979 B1 beschriebenen Anordnung kann ein Anteil der Gleitreibung der in klassischen Triebstockverzahnungen auftretenden Wälzgleitreibung dadurch eliminiert werden, dass das Rollelement um seine Rollachse frei drehbar auf dem Bolzen angeordnet ist. Die Tragfähigkeit der Verzahnung und damit die Belastungsfähigkeit des Wälzgetriebes ist jedoch sehr von der Wanddicke des hülsenförmigen Rollelements abhängig. Wichtige Kriterien zur Bestimmung der Wandstärke sind die für den Wälzkontakt notwendige Oberflächenhärte und die zulässigen Spannungen unter der Oberfläche der Hülse. Durchgehärtete Hülsen mit zu geringer Wandstärke sind bruchanfällig. Eine ausreichend dicke Wand ist auch bei Einsatzhärtung der Hülsen Voraussetzung. In diesem Fall sind die Anforderungen an die Mindesteinsatzhärtetiefe und einem elastischen Kern der Wand bestimmend. Hohe Belastungen erfordern dementsprechend in beiden Fällen dicke Wände der Rollelemente, denen die Dimensionen der weiteren Bauelemente des Wälzgetriebes angepasst werden müssen. Darüber hinaus kann der Wirkungsgrad eines derartigen Wälzgetriebes durch den Anteil der Lagerungs-Gleitreibung verringert werden, der entsteht, wenn das auf dem Bolzen gleitgelagerte Rollelement auf dem Bolzen schwenkt.
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Dementgegen sieht die Erfindung pro Wälzkontakt mindestens ein Rollelement vor, dass im Rahmen notwendiger Ausgleichsbewegungen um seine Rollachse frei beweglich zwischen dem ersten Rad und dem zweiten Rad angeordnet ist und das an den beiden Rädern abrollen (abwälzen) kann. Das Rollelement ist also im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik nicht an dem zweiten Rad um seine Rollachse rotierbar gehalten, sondern kann gegenüber beiden Rädern seine Lage verändern. Gleitreibung tritt weder im Wälzkontakt noch durch Lagerungs-Gleitreibung auf. Dadurch ist zumindest eines der Räder durch das andere der Räder antreibbar, indem die Räder im (Wälz)kontakt mit dem Rollelement stehen und über das Rollelement aneinander abgestützt sind. Gleitreibung ist damit ausgeschlossen. Der Wirkungsgrad des Wälzgetriebes ist verbessert.
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Es können auch sehr stabile und durchgehärtete Rollelemente, wie zylindrische Rollen aus Wälzlagerstahl, zum Einsatz kommen. Es kann gegenüber Anordnungen nach dem Stand der Technik weniger Bauraum beansprucht werden.
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Die Anzahl der Rollelemente, die in einem erfindungsgemäßen Wälzgetriebe vorgesehen ist, ist beliebig und kann so groß sein wie die Anzahl der Zahnlücken eines der Zahnräder. Darüber hinaus können bis zweimal soviel Rollelemente, wie es Zahnlücken pro eines der Räder gibt, in einem Wälzgetriebe eingesetzt werden. Letzteres dann, wenn der Wirkungsgrad in beide Drehrichtungen des jeweiligen Zahnrades reduziert werden soll. Im Wälzbetrieb wirkt mindestens ein Rollelement als Kraftübertragungselement, es können aber auch mehr sein. Die Rollelemente sind vorzugsweise zylindrische Rollen deren Mantelfläche mit und ohne Profilierung versehen sind.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das zweite Rad auch ein Zahnrad mit einer zweiten Verzahnung ist. Die Anzahl der Zähne der zweiten Verzahnung kann kleiner, gleich oder größer als die Anzahl der Zähne der ersten Verzahnung des ersten Zahnrades sein. Zwei Zähne der zweiten Verzahnung begrenzen jeweils eine zweite Zahnlücke, wobei sich jedem Zahn der ersten Verzahnung jeweils links und rechts eine Zahnlücke anschließt. Dadurch ergibt sich, dass das die Zähne der beiden kämmenden Verzahnungen wechselseitig in Zahnlücken der Gegenverzahnung eingreifen. Soweit entspricht dies dem bekannten klassischen Zahneingriff von Getrieberädern. Davon abweichend jedoch ist pro Zahneingriff zumindest in eine Drehrichtung des jeweiligen Zahnrades ein Rollelement so zwischen den beiden Zähnen der miteinander kämmenden Zahnräder angeordnet, dass sich die Zähne im Zahneigriff nicht berühren sondern sich über das dazwischen liegende Rollelement aneinander abstützen. Aufgrund der kämmenden Anordnung der Verzahnungen ergibt sich, dass das jeweilige Rollelement zugleich in einer Zahnlücke der ersten Verzahnung und einer Zahnlücke der zweiten Verzahnung sitzt und zwischen einem Zahn der ersten Verzahnung und einem Zahn der zweiten Verzahnung geführt ist.
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In dem Wälzgetriebe nach
WO01/46605A1 sind die Verzahnungen der beiden Räder nicht miteinander verzahnt sondern an den Kopfkreisen geringfügig zueinander beabstandet. Das jeweilige Rollelement ist in allen Betriebszuständen und in beiden Drehrichtungen Kraftübertragungselement, über das letztendlich die aus der Übertragung der Drehmomente entstehenden Kräfte von einem Rad zum anderen Rad weitergegeben werden. In dem erfindungsgemäßen Wälzgetriebe trifft Letzteres für das jeweilige im Wälzbetrieb befindliche Rollelement auch zu. Darüber hinaus stehen jedoch die beiden Räder über ihre Verzahnungen miteinander im Eingriff. Das erfindungsgemäße Wälzgetriebes kann demgegenüber radial geringeren Bauraum beanspruchen, da das jeweilige am Wälzbetrieb beteiligte Rollelement in der Tasche vollständig hinter den jeweiligen Kopfkreisen zurück gesetzt ist.
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Das erfindungsgemäße Wälzgetriebe kann in Abhängigkeit von seiner Anwendung so ausgelegt sein, dass es in beide Drehrichtungen oder in nur eine Drehrichtung reibungsreduziert wirkt. Im ersten Fall sind pro. Wälzkontakt zwischen den Zahnrädern in einer Zahnlücke zwei der Rollelemente angeordnet, von denen eines links und das andere rechts des jeweiligen in die Zahnlücke eingreifende Zahnes geführt ist. Im zweiten Fall ist in eine Richtung der erfindungsgemäße Wälzkontakt über das Rollelement und in die andere Drehrichtung ein üblicher Zahn-auf-Zahnwälzgleit-Kontakt ausgebildet. Das Wälzgetriebe gemäß Erfindung ist dementsprechend bevorzugt in Anwendungen mit Drehmomentübertragung in nur eine Drehrichtung oder für den Einsatz mit alternativen Belastungsanforderung und alternativ für den Einsatz mit geringen Drehzahlen aber für hohe Belastungen vorgesehen. Die Verzahnungen der Zahnräder sind vorzugsweise Geradverzahnungen. Unter Geradverzahnungen ist in diesem Fall zu verstehen, dass die Zahnflanken der Zähne der Verzahnungen im Wesentlichen durch eine Vielzahl einzelner Linien begrenzt sind, die axial mit der Rotationsachse des Zahnrades gleich ausgerichtet sind.
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Das Rollelement ist in der ersten Zahnlücke um die eigene Rollenachse rotierbar relativ zu beiden im Zahneingriff stehenden Verzahnungen und dabei auch in Richtung der einen Rotationsachse des Zahnrades und wieder zurück in Richtung der Rotationsachse des zweiten Zahnrades schwenk- oder rollbeweglich geführt und somit sowohl an dem ersten Zahn des einen Zahnrades als auch an dem zweiten Zahn des anderen Zahnrades abwälzbar. Im Wälzbetrieb der beiden Räder heißt das, dass das Rollelement frei um die eigene Rollenachse drehbar zwischen zwei Zähnen durch die Wirkung der Drehmomente eingespannt ist und sich dabei auch radial von den Rotationsachsen weg und zu diesen hin bewegen kann. Letzteres kann mit einer geeigneten Führung des mindestens einen Rollelements so abgesichert werden, dass sich das Rollelement um die eigene Rotationsachse abwälzend entlang einer Führungsbahn bewegt und so auf der Eingriffsgeraden gehalten wird. Der Verlauf und Richtung der Eingriffsgeraden kann mit dem Verlauf der Eingriffsgeraden nach dem Grundgesetz der Verzahnung verglichen werden. Da die beiden Verzahnungen nicht direkt sondern über das Rollelement miteinander im Wälzkontakt stehen und weil das Rollelement an den Rädern abwälzt, können sich analog zu den Regeln des Verzahnungsgesetze beide Berührpunkte des Rollelements und der Schnittpunkt zwischen Rollenachse und der Eingriffsgeraden immer auf der Eingriffsgeraden bewegen.
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Gegenüber den bekannten Zykloidenverzahnungen ergeben sich verbesserte Abwälzverhältnisse dergestalt, dass zwar ähnlich wie bei Zykloidenverzahnungen ein konkaves Zahnprofil mit einem konvexen Profil im Kontakt steht, in diesem Fall jedoch des Rollelements, im Zahnkontakt steht, aber darüber hinaus die beiden Profile aufgrund des frei drehbaren Rollelements ausschließlich im Wälzkontakt aneinander ablaufen. Der jeweilige Zahn kann symmetrisch ausgebildet sein und wahlweise zwei konvex verlaufende Flanken oder alternativ zwei konkav verlaufende Flanken aufweisen. Alternativ kann der Zahn hinsichtlich seines Flankenprofils unsymmetrisch ausgebildet sein und dementsprechend eine Flanke mit konkaven Verlauf oder konvexen Verlauf aufweisen. Der Verlauf, ob konkav oder konvex, ist jeweils in einer beliebigen Querschnittsebene des quer zur Rotationsachse geschnittenen Zahnrades betrachtet. Diese Ausgestaltungen der Erfindungen betreffen die Zähne des ersten Zahnrades und/oder die Zähne des anderen Zahnrades. Die Erfindung sieht auch Mischformen vor, d. h. z. B. Paarungen von Zähnen der Verzahnung des ersten Zahnrades, die entweder symmetrisch oder unsymmetrisch zueinander ausgebildete Flanken aufweisen, mit Verzahnungen des zweiten Zahnrades, deren Zähne wahlweise mit symmetrisch oder unsymmetrisch zueinander ausgebildeten Zahnflanken versehen sind.
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Die Verzahnung, das heißt das Flankenprofil der miteinander in Wirkverbindung stehenden Zähne des erfindungsgemäßen Wälzgetriebes, ist mittels der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen und von den möglichen Anwendungen abhängig angepasst ausführbar. Dadurch ist es möglich, dass das im Wälzeingriff mit dem Rollelement stehenden eine Zahnrad das andere Zahnrad um dessen Rotationsachse in Drehung ebenfalls mit gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit antreibt. Darüber hinaus ist es auf diese Weise möglich, die sich im Wälzkontakt ergebenden Kraftvektoren so auszurichten, dass diese sich aufheben und keine Querkräfte und damit auch keine Gleitkontakte anstelle von Wälzkontakten erzeugen.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand zeichnerischer Darstellungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Wälzgetriebes 1, das in einer beliebigen Querschnittsebene dargestellt ist, wobei der Ausschnitt den Wälzeingriff der beiden Zahnräder 9 und 10 zeigt. Das Wälzgetriebe 1 ist aus einem Rad 2 einem Rad 3 sowie Rollelementen 4 gebildet.
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Das Rad 2 ist das Zahnrad 9 mit einer aus den Zähnen 7 gebildeten umfangsseitigen Verzahnung. Jeweils zwei Zähne 7 der Verzahnung begrenzen eine Zahnlücke 6 der Verzahnung des Zahnrades 9, wobei auf jede Zahnlücke 6 in Umfangsrichtung ein weiterer Zahn 7 folgt. Das Rad 3 ist das Zahnrad 10 mit einer aus den Zähnen 8 gebildeten umfangsseitigen Verzahnung. Jeweils zwei Zähne 8 der Verzahnung begrenzen eine Zahnlücke 5 der Verzahnung des Zahnrades 10, wobei auf jede Zahnlücke 5 in Umfangsrichtung ein weiterer Zahn 8 folgt.
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Von den Rollelementen 4 ist nur eins bildlich dargestellt. Es kann aber davon ausgegangen werden, dass in jeder der Zahnlücken 5 und 6 jeweils im Bild links vom jeweiligen Zahn 7 bzw. rechts vom jeweiligen Zahn 8 ein Rollelement 4 angeordnet ist. Die Räder 2 und 3 stehen im Wälzeingriff mit dem Rollelement 4 und über das Rollelement 4 in einer gegenseitigen kraftübertragenden Wirkverbindung, wobei unter Wälzeingriff der Bereich zu verstehen ist, in dem Zähne 7 des Rades 2 in Zahnlücken 5 des Rades 3 und Zähne 8 des Rades 3 in Zahnlücken 6 des Rades 2 eingreifen.
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Durch den zuvor beschriebenen Zahneingriff überschneidet sich jeweils eine Zahnlücke 5 mit einer Zahnlücke 6. In dem Überschneidungsbereich der Zahnlücken greift ein Rollelement 4 ein. Die Zahnflanken 7a der Zähne 7 verlaufen in der Darstellung und in beliebigen weiteren Querschnittsebenen in die Zahnlücke 5 bzw. 6 hinein konvex. Die Zahnflanken 8a der Zähne 8 verlaufen dagegen konkav, so dass im Wälzeingriff immer eine konvex gekrümmte Zahnflanke 7a einer konkav gekrümmten Zahnflanke 8a an dem Rollelement 4 oder direkt gegenüberliegt. Zwischen einer Zahnflanke 7a und 8a ist der Rollelement 4 um seine Rollenachse rotierbar eingeklemmt.
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2 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Wälzgetriebes 30, das in einer beliebigen Querschnittsebene dargestellt ist, wobei der Ausschnitt den Wälzeingriff der beiden Zahnräder 21 und 22 zeigt. Das Wälzgetriebe 30 ist aus einem Rad 2 einem Rad 3 sowie Rollelementen 4 gebildet.
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Das Rad 2 ist das Zahnrad 21 mit einer aus den Zähnen 7 gebildeten umfangsseitigen Verzahnung. Jeweils zwei Zähne 23 der Verzahnung begrenzen eine Zahnlücke 6 der Verzahnung des Zahnrades 21, wobei auf jede Zahnlücke 6 in Umfangsrichtung ein weiterer Zahn 21 folgt. Das Rad 3 ist das Zahnrad 22 mit einer aus den Zähnen 24 gebildeten umfangsseitigen Verzahnung. Jeweils zwei Zähne 24 der Verzahnung begrenzen eine Zahnlücke 5 der Verzahnung des Zahnrades 22, wobei auf jede Zahnlücke 5 in Umfangsrichtung ein weiterer Zahn 24 folgt.
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Von den Rollelementen 4 ist nur eines bildlich dargestellt. Es kann aber davon ausgegangen werden, dass in jeder der Zahnlücken 5 und 6 jeweils im Bild links vom jeweiligen Zahn 23 bzw. rechts vom jeweiligen Zahn 24 ein Rollelement 4 angeordnet ist. Die Räder 2 und 3 stehen im Wälzeingriff mit dem Rollelement 4 und über das Rollelement 4 in einer gegenseitigen kraftübertragenden Wirkverbindung, wobei unter Wälzeingriff der Bereich zu verstehen ist, in dem Zähne 23 des Rades 2 in Zahnlücken 5 des Rades 3 und Zähne 24 des Rades 3 in Zahnlücken 6 des Rades 2 eingreifen.
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Durch den zuvor beschriebenen Zahneingriff überschneidet sich jeweils eine Zahnlücke 5 mit einer Zahnlücke 6. In dem Überschneidungsbereich der Zahnlücken greift ein Rollelement 4 ein. Die Zahnflanken 23a der Zähne 23 verlaufen in der Darstellung und in beliebigen weiteren Querschnittsebenen in die Zahnlücke 5 bzw. 6 hinein konvex. Die Zahnflanken 24a der Zähne 24 verlaufen dagegen auf einer Seite konkav und die Zahnflanken 24b auf der anderen Seite konvex. Im Wälzeingriff mit dem Rollelement 4 liegt immer in eine Richtung eine konvex gekrümmte Zahnflanke 23a einer konkav gekrümmten Zahnflanke 24a an dem Rollelement 4 gegenüber. Im Wälzeingriff entgegengesetzter Drehrichtungen dagegen wälzt eine konvex ausgebildete Zahnflanke 23a an einer ebenso konvex ausgebildeten Zahnflanke 24b ab.
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3 zeigt einen Ausschnitt einer Führung 11 in einer Querschnittsebene, die parallel zu den in den 1 und 2 gezeigten Querschnittsebenen ausgerichtet und nicht maßstäblich ist. Die Führung 11 ist für das Führen des Rollelements 4 zwischen die Räder 2 und 3 in den Wälzkontakt hinein, entweder für die in 1 oder für die in 2 gezeigte Anordnung vorgesehen. Sie weist dafür eine Führungsbahn 12 auf, in der die Rollelemente 4 umlaufend um eine Rotationsachse des Zahnrades 10 geführt werden können. Die Führungsbahn 12 ist in zwei Führungsabschnitte 13 und 14 eingeteilt. Der Führungsabschnitt 13 ist durch Zylinderflächen 15 und 16 mit den Radien R1 und R2 beschrieben. Die Einstichpunkte der Radien R1 und R2 liegen in der Bildebene auf der Rotationsachse des Rades 3, sind aber aufgrund der zu geringen Größe der Darstellung nicht sichtbar. Der Führungsabschnitt 14 ist aus den Führungsflächen 17 und 18 gebildet, die von den Zylinderflächen 15 und 16 abweichen und wesentlich flachere Verläufe aufweisen. Die mit konstantem Abstand zueinander ausgerichteten Führungsflächen 17 und 18 können jeweils durch eine oder mehrere Geraden beschrieben sein oder gekrümmt verlauf. Der konstante Abstand der Führungsflächen entspricht dem Durchmesser des Rollelements 4 zuzüglich eines geringen Führungsspiels. Der mittig des Führungsabschnitts 14 gemessene radiale Abstand A1 der Führungsfläche 17 zur Rotationsachse des Rades 3 ist kürzer als der radiale Abstand A2 jeweils am Einlauf 19 bzw. Auslauf 20 des Führungsabschnitts 14.
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Das Rollelement 4 wird bei Rotation der Räder 2 und 3 in der jeweiligen Zahnlücke 5 und 6 mitgenommen und dabei im Wälzeingriff in dem Führungsabschnitt 14 zwischen den Führungsflächen 17 und 18 geführt. Die Räder 2 und 3 nehmen das Rollelement 4 dabei in Drehrichtung mit. Unter der Voraussetzung, dass das Rad 2 das im Uhrzeigersinn treibende und das Rad 3 das getriebene Rad ist, ergibt sich, dass das Rollelement 4 in der Führungsbahn 12 der Darstellung der 1, 2 und 3 entsprechend in Bewegungsrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn geführt wird. Der Kurs des Rollelements 4 im Wälzeingriff bzw. Führungsabschnitt 14 ist dabei durch den Verlauf des Führungsabschnitts 14, also durch den Verlauf der Führungsflächen 17 und 18 zwischen dem Einlauf 19 und dem Auslauf 20, bestimmt. Dieser Verlauf entspricht der idealen Kurvenbahn des Rollelements, so dass der angestrebte Wälzkontakt ohne Gleitreibung verwirklicht wird. Danach wird das Rollelement 4 in dem Führungsabschnitt 13 und in der Tasche 5 an den Kreisbahnen 15 und 16 um die Rotationsachse bis zum Einlauf 19 geführt. Am Einlauf 19 wird es wieder in den Führungsabschnitt 14 eingeführt, wobei es dort wieder in den Taschen 5 und 6 zwischen den Zahnflanken 7a und 8a bzw. 23a und 24a eingefädelt wird. Da sich der radiale Abstand A2 der Führungsbahn 17 vom Einlauf 19 zur Mitte hin auf den radialen Abstand A1 verkürzt und sich von da aus zum Auslauf 20 hin wieder auf den Abstand A2 vergrößert, wird im Wälzkontakt die Lage des Rollelements 4 gegenüber den Rädern 2 und 3 und dabei relativ zu den Zähnen 7 und 8 bzw. 23 und 24 verändert um dessen angestrebte Kurvenbahn zu verwirklichen. Dabei wälzt das Rollelement 4 aufgrund der konvex – konkaven Kombination der Zahnflanken 7a und 8a an den Zahnflanken 7a und 8a bzw. 23a und 24a ab.
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Unter der Voraussetzung, dass das Rad 2 das entgegen dem Uhrzeigersinn treibende Zahnrad 9 ist, wird der Wälzkontakt durch direktes Abwälzen der anderen Zahnflanken 7a und 8a der jeweiligen Zähne 7 und 8 konvex – konkaven Kombination gemäß der in 1 dargestellten Anordnung bzw. durch die Zahnflanken 23a und 24b gemäß der in 2 dargestellten Anordnung in einer konvex – konvexen Kombination verwirklicht. Das jeweilige Rollelement 4 wird in diesem Fall in der jeweiligen Tasche 5 wirkungslos im Uhrzeigersinn mitgenommen. Wenn jedoch gemäß der Anordnung nach 1 jeweils beidseitig der Zahnflanke 8a jeweils ein Rollelement 4 angeordnet wäre, wäre die Wirkung des jeweiligen Rollelements 4 die der zuvor beschriebenen Wirkung gleiche – nur bei entgegengesetzter Rotation der Zahnräder. Die Positionen des Einlaufs 19 und des Auslaufs 20 wären gegeneinander vertauscht.
