DE102016223098B4

DE102016223098B4 - Mehrfachzahnrad und Getriebe mit wenigstens einem Mehrfachzahnrad

Info

Publication number: DE102016223098B4
Application number: DE102016223098.0A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Lickey; Franz Kurth
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2018-12-20
Anticipated expiration: 2036-11-24
Also published as: DE102016223098A1

Abstract

Mehrfachzahnrad (17), das zumindest aus einem ersten Zahnrad (19) mit einer ersten Laufverzahnung (27) und aus einem zweiten Zahnrad (20) mit einer zweiten Laufverzahnung (29) gebildet ist, wobei das erste Zahnrad (19) mit einer ersten Verbindungsverzahnung (28) und das zweite Zahnrad (20) mit einer zweiten Verbindungsverzahnung (30) versehen ist und wobei das zweite Zahnrad (20) auf dem ersten Zahnrad (19) sitzt, so dass die Zahnräder (19, 20) über ineinander greifende Zähne der Verbindungsverzahnungen (28, 30) in Richtung um die Rotationsachse (3) des Mehrfachzahnrads (17) zumindest mit einer formschlüssigen Verbindung miteinander verbunden sind und wobei die erste Verbindungsverzahnung (28) an einem Verbindungsverzahnungsabschnitt (42) des ersten Zahnrades (19) bereitgestellt ist und dabei zwischen einem Laufverzahnungsabschnitt (41) der Laufverzahnung (27) und dem Verbindungsverzahnungsabschnitt (42) eine radiale Stufe (40) ausgebildet ist, wobei die erste Verbindungsverzahnung (28) eine erste Schrägverzahnung mit einem ersten Schrägungswinkel (β) und die zweite Verbindungsverzahnung (30) zweite Schrägverzahnung mit dem ersten Schrägungswinkel (β) ist und wobei die erste Laufverzahnung (27) eine dritte Schrägverzahnung mit einem zweiten Schrägungswinkel (β) ist und die zweite Laufverzahnung (29) durch eine vierte Schrägverzahnung mit einem dritten Schrägungswinkel (β) definiert ist, wobei die Zähne der ersten Laufverzahnung (27) eine größere radiale Zahnhöhe (H) aufweisen als die Zähne der ersten Verbindungsverzahnung (28), dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungsrichtung des zweiten Schrägungswinkels (β) der ersten Laufverzahnung (27) und des dritten Schrägungswinkels (β) der zweiten Laufverzahnung (29) gleich ist, wobei die Steigungsrichtung des ersten Schrägungswinkels (β) der ersten Schrägverzahnung der Steigungsrichtung der Schrägungswinkel (β, β) der Laufverzahnungen (27, 29) entspricht, und dass der erste Schrägungswinkel (β) genauso groß ist wie der zweite Schrägungswinkel (β), wobei die erste Laufverzahnung (27) und die erste Verbindungsverzahnung (28) die gleiche Anzahl an Zähnen aufweisen und dabei die Teilung (A) der ersten Laufverzahnung (27) der Teilung (A) der ersten Verbindungsverzahnung (28) entspricht, und dass die erste Verbindungsverzahnung (28) an einem Verbindungsverzahnungsabschnitt (42) der ersten Laufverzahnung (27) bereitgestellt ist, wobei zwischen einem Laufverzahnungsabschnitt (41) der Laufverzahnung (27) und dem Verbindungsverzahnungsabschnitt (42) die radiale Stufe (40) derart ausgebildet ist, dass die radiale Zahnhöhe (H') des jeweiligen der Zähne an dem Verbindungsverzahnungsabschnitt (42) geringer ist als die radiale Zahnhöhe (H) des jeweiligen gleichen Zahnes an dem Laufverzahnungsabschnitt (41) der ersten Laufverzahnung (27).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Mehrfachzahnrad, das zumindest aus einem ersten Zahnrad mit einer ersten Laufverzahnung und aus einem zweiten Zahnrad mit einer zweiten Laufverzahnung gebildet ist, wobei das erste Zahnrad mit einer ersten Verbindungsverzahnung und das zweite Zahnrad mit einer zweiten Verbindungsverzahnung versehen ist und wobei die Zahnräder über ineinander greifenden Zähne der Verbindungsverzahnungen in Richtung um die Rotationsachse des Mehrfachzahnrades zumindest mit einer formschlüssigen Verbindung miteinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft auch ein Getriebe mit einem derartigen Mehrfachzahnrad, wobei die erste Laufverzahnung im ersten Zahnkontakt von mindestens einem Zahn der ersten Laufverzahnung mit einem Gegenzahn einer ersten Gegenverzahnung des Getriebes und die zweite Laufverzahnung im zweiten Zahnkontakt von mindestens einem Zahn mit der zweiten Laufverzahnung mit einem zweiten Zahn einer zweiten Gegenverzahnung des Getriebes steht.
Hintergrund der Erfindung
Ein als Planetengetriebe ausgeführtes Getriebe der Gattung und ein als Stufenplanet ausgeführtes Mehrfachzahnrad sind in DE 10 2011 079 695 A1 beschrieben. In den die 13 und 14 betreffenden Kapiteln dieser Druckschrift ist die formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Zahnrad durch einen Verbindungsverzahnungsabschnitt der Laufverzahnung am ersten Zahnrad und eine korrespondierende Innenverzahnung am zweiten Zahnrad gebildet. Dieser Formschluss dient der torsionsfesten Verbindung und der radialen Ausrichtung beider Zahnräder. Axial sind die Zahnräder über eine Stufe beziehungsweise über einen Sicherungsring aneinander gesichert.
Die nachveröffentlichte DE 10 2016 208 033 A1 zeigt ein Mehrfachzahnrad, das aus einem ersten Zahnrad mit einer als Arbeitsverzahnung bezeichneten ersten Laufverzahnung und aus einem zweiten Zahnrad mit einer zweiten Laufverzahnung gebildet ist. Beide Laufverzahnungen sind Schrägverzahnungen, die jeweils durch einen in Umfangsrichtung zur Rotationsachse geneigten Schrägungswinkel charakterisiert sind. Das erste Zahnrad ist außerdem mit einer als Passverzahnung bezeichneten ersten Verbindungsverzahnung und das zweite Zahnrad mit einer zweiten Verbindungsverzahnung versehen. Die erste Verbindungsverzahnung ist eine Außenverzahnung und die zweite Verbindungsverzahnung ist eine mit der Geometrie der ersten Verbindungsverzahnung korrespondierende Innenverzahnung. Das zweite Zahnrad sitzt mit der Verbindungsverzahnung auf der Verbindungsverzahnung des ersten Zahnrads. Beide Verbindungsverzahnungen sind ebenfalls Schrägverzahnungen und sind dementsprechend auch jeweils durch einen in Umfangsrichtung zur Rotationsachse geneigten Schrägungswinkel beschrieben. Mit der Kombination der schräg verzahnten Verbindungs- und Laufverzahnungen soll eine ausgeglichene Lastverteilung erzielt werden. Das erste Zahnrad mit der ersten Laufverzahnung weist an einer nabenförmigen Verlängerung die erste Verbindungsverzahnung auf. Die Zähne der ersten Laufverzahnung weisen einen größeren Teilkreis und eine größere radiale Zahnhöhe auf als die Zähne der ersten Verbindungsverzahnung.
DE 1 550 761 A zeigt ein Planetengetriebe mit als Planetenräder ausgebildeten Mehrfachzahnrädern mit hoher Übersetzung und extrem geringer Zähnezahl des Sonnenrades bzw. der zweiten Planetenstufe des Mehrfachzahnrades. Das aus zwei Zahnrädern mit Laufverzahnungen gebildete Mehrfachzahnrad ist zumindest aus einem ersten Zahnrad mit einer ersten Laufverzahnung und aus einem zweiten Zahnrad mit einer zweiten Laufverzahnung gebildet. Das erste Zahnrad ist auf eine Welle geschnitten. Der Außendurchmesser der ersten Laufverzahnung des ersten Zahnrades entspricht somit dem Wellendurchmesser der Welle, auf dem das zweite Zahnrad sitzt. Das zweite Zahnrad ist auf diese Welle aufgespritzt. Ein Teilabschnitt des zweiten Zahnrads ist an einem Auslauf der in die Welle geschnittenen Laufverzahnung abgestützt.
EP 1 250 252 B1 offenbart ein Planetengetriebe. Die Planetenräder des Planetengetriebes sind einteilige und massiv ausgebildete Mehrfachzahnräder mit Laufverzahnungen für selbsthemmende Stellgetriebe von Fahrzeuglenkungen.
DE 1 209 391 B offenbart ein Planetengetriebe, dessen einzelne Planetenräder über eine erste und zweite Kupplungsverzahnung formschlüssig miteinander verbunden sind. Die in DE 1 209 391 B offenbarte Lehre ist auf die Auslegung von miteinander im Eingriff stehenden Zahnräderpaaren gerichtet, so dass die aus den Schrägungswinkel der Laufverzahnungen resultierenden Axialkräfte ausgeglichen werden können.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mehrfachzahnrad mit mindestens zwei formschlüssig aneinandergefügten Zahnrädern zu schaffen, das sich einfach und kostengünstig herstellen lässt und das, insbesondere als Doppelplanet, höchsten Anforderungen an die Präzision, Ausrichtung und Laufruhe seiner Verzahnungen entspricht.
Die Aufgabe ist nach dem Gegenstand des Anspruches 1 und weiterer Ansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steigungsrichtungen des zweiten Schrägungswinkels der ersten Laufverzahnung und des dritten Schrägungswinkels der zweiten Laufverzahnung gleich sind. Dabei entspricht die Steigungsrichtung des ersten Schrägungswinkels der ersten Schrägverzahnung der Steigungsrichtung der Schrägungswinkel der Laufverzahnungen. Der erste Schrägungswinkel ist genauso groß wie der zweite Schrägungswinkel. Die erste Laufverzahnung und die erste Verbindungsverzahnung weisen die gleiche Anzahl an Zähnen auf. Die Teilung der ersten Laufverzahnung entspricht der Teilung der ersten Verbindungsverzahnung. Außerdem ist die erste Verbindungsverzahnung an einem Verbindungsverzahnungsabschnitt der ersten Laufverzahnung bereitgestellt. Zwischen einem Laufverzahnungsabschnitt der Laufverzahnung und dem Verbindungsverzahnungsabschnitt ist die radiale Stufe derart ausgebildet, dass die radiale Zahnhöhe des jeweiligen der Zähne der an dem Verbindungsverzahnungsabschnitt geringer ist als die radiale Zahnhöhe des jeweiligen gleichen Zahnes an dem Laufverzahnungsabschnitt der ersten Laufverzahnung.
Die Bedeutung des Begriffs „Schrägverzahnung“ und des Parameters „Schrägungswinkel“ im Sinne der Erfindung wird nachfolgend mithilfe der Darstellung in 8 beschrieben. Verbindungsverzahnungen sind die an der Welle-Nabe-Verbindung dauerhaft ineinandergreifenden Verzahnungen an den Zahnrädern des Mehrfachzahnrads.
8 zeigt grob vereinfacht zwei Zähne 1 und 2 einer als Schrägverzahnung ausgebildeten Stirnverzahnung. In der Schrägverzahnung verlaufen die Zähne 1, 2 um einen Schrägungswinkel β beziehungsweise zu einer Parallelen 4 der Rotationsachse 3 geneigt.
Mit der Erfindung wurde eine Welle-Nabe-Verbindung geschaffen, in der die gleichmäßige Kraftverteilung über den gesamten Umfang abgesichert ist. Darüber hinaus ist, gemessen an der Breite des Zahnrades gegenüber geraden Verbindungsverzahnungen, die tragende Länge der Zähne der als Schrägverzahnung ausgeführten Verbindungsverzahnung länger als die der geradverzahnten Verbindungsverzahnungen. Es wird eine bessere Verkeilung der Verbindungsverzahnungen ineinander erzielt. Dabei sind die Zahnräder aufgrund des Zusammenwirkens der im Stirnschnitt schrägen Zahnflanken mit dem zur Rotationsachse geneigten Verlauf der Zähne der Innen- und Außenverzahnung radial besser und sicher zueinander axial und radial ausgerichtet. Die Übertragung hoher und auch die Richtung wechselnder Drehmomente am Mehrfachzahnrad ist abgesichert.
Die Erfindung lässt sich allgemein auf Mehrfachzahnräder anwenden, deren Laufverzahnung als Geradverzahnung ausgebildet ist. Alternativ ist vorgesehen, dass eine der Laufverzahnungen eine Geradverzahnung und die andere der Laufverzahnungen eine Schrägverzahnung ist. Laufverzahnungen sind die Verzahnungen, die im Betrieb des Mehrfachzahnrades im Zahneingriff mit anderen Zahnrädern laufen.
Der Vorteil von Schrägverzahnungen gegenüber Geradverzahnungen an Laufverzahnungen ist allgemein bekannt. Ein Vorteil liegt zum Beispiel in der größeren Laufruhe.
Das die Steigungsrichtungen der Schrägungswinkel der ersten und zweiten Laufverzahnung gleich sind ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich jedoch die Größen der die in gleiche Richtung ansteigenden Schrägungswinkel voneinander unterscheiden. Das führt bei gezielter Abstimmung der Winkel aufeinander dazu, dass sich die Wirkungen der Axialkräfte der Laufverzahnungen, die sehr hoch werden können, zumindest teilweise einander eliminieren können. Dadurch sind ansonsten hohen axialen Kräften ausgesetzte axiale Sicherungselemente, wie z.B. Sicherungsringe, weitestgehend von axialen Kräften frei. In manchen Anwendungen wird der Einsatz von einfachen Sicherungselementen, die im Stand der Technik wegen der hohen Axialkräfte nicht eingesetzt werden konnten, erst durch die Verwendung der Erfindung möglich.
Mit der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steigungsrichtung des Schrägungswinkels der Verbindungsverzahnung auch der Steigungsrichtung der Schrägungswinkel der Laufverzahnungen entspricht. Die Fertigung des ersten Zahnrades ist mithilfe der Erfindung vereinfacht. Zwei axial aufeinander folgende Schrägverzahnungen mit gleicher Steigungsrichtung des Schrägungswinkels lassen sich einfacher herstellen als eine Geradverzahnung axial neben einer Schrägverzahnung. Das insbesondere dann, wenn, wie eine Ausgestaltung der Erfindung vorsieht, die erste Laufverzahnung und die erste Verbindungsverzahnung die gleiche Anzahl an Zähnen, den gleichen Teilkreis und die gleiche Teilung aufweisen sowie den gleichen gemeinsamen Schrägungswinkel aufweisen.
Die vorgenannten Parameter werden mithilfe der 7 und 8 näher erläutert. 7 zeigt einen quer zur Rotationsachse 3 gerichteten beliebigen Stirnschnitt durch eine Schrägverzahnung 5. Der in 8 durch den Teilkreisdurchmesser d₀ und 7 durch den Teilkreisradius r₀ definierte Teilkreis 6 schneidet die Zähne der Schrägverzahnung 5 zwischen dem Fußkreis 7 und dem Kopfkreis 8. Von der Rotationsachse 3 ausgehende Teilungslinien 11a und 12a Schneiden den Teilkreis 6 an den Zahnflanken 11 bzw. 12 in den Schnittpunkten 9 und 10. Der Abstand A im Bogenmaß der Schnittpunkte 9 und 10 wird als Teilung bezeichnet. Dabei liegen die Schnittpunkte 9 und 10 an jeweils in gleiche Richtung gewandten Zahnflanken 11 und 12 von zwei beliebigen zueinander benachbarten Zähnen 1 und 2 der Schrägverzahnung 5 auf dem Teilkreis 6.
Der Vorteil dieser Erfindung liegt darin, dass die Laufverzahnung und auch die Verbindungsverzahnung am ersten Zahnrad zusammen aus einem Stück gefertigt werden können. So kann zum Beispiel ein Zahnradrohling des ersten Zahnrades eine von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite des Zahnrades verlaufende Rohverzahnung aufweisen, aus der vorteilhaft gemeinsam sowohl die erste Laufverzahnung als auch die erste Verbindungsverzahnung hergestellt werden können. Die Herstellung der zwei Verzahnungen des ersten Zahnrades ist somit auf den Aufwand zur Herstellung nur einer Verzahnung vorteilhaft reduziert.
Mit der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zähne der ersten Laufverzahnung eine größere radiale Zahnhöhe aufweisen als die Zähne der ersten Verbindungsverzahnung. Der Parameter Zahnhöhe H ergibt sich beim Betrachten von 7 als der radiale Abstand zwischen dem Fußkreis 7 und dem Kopfkreis 8. Der Kopfkreisradius r_k der jeweiligen Verzahnung beschreibt den Kopfkreis, der um die Rotationsachse umläuft und der über die Zahnspitzen der Zähne gelegt ist. Der Fußkreisradius r_F beschreibt den durch die Zahnfüße und um die Rotationsachse umlaufenden Fußkreis.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass, insbesondere bei Verwendung eines gemeinsamen Zahnradrohlings für die erste Laufverzahnung und die erste Verbindungsverzahnung, die Verbindungsverzahnung mit den niedrigeren Zähnen lediglich durch Abdrehen der fertigen Schrägverzahnung im Verbindungsverzahnungsbereich hergestellt werden kann. Die für die Ausrichtung der Zahnräder zueinander wichtige Flankenposition bleibt aufgrund der durchgängigen Fertigung aus einem Stück sehr präzise. Dementsprechend ist vorgesehen, dass die erste Verbindungsverzahnung an einem Verbindungsverzahnungsabschnitt der ersten Laufverzahnung bereitgestellt ist. Dabei ist zwischen dem Laufverzahnungsabschnitt der Laufverzahnung und dem Verbindungsverzahnungsabschnitt eine radiale Stufe derart ausgebildet, dass die radiale Zahnhöhe des jeweiligen der Zähne der ersten Laufverzahnung an dem Verbindungsverzahnungsabschnitt geringer ist als die radiale Zahnhöhe des jeweiligen gleichen Zahnes an dem Laufverzahnungsabschnitt der ersten Laufverzahnung. Es wird damit vorteilhaft mit den hohen Zähnen der Laufverzahnung des einen Zahnrads ein genauer axialer Anschlag für das aufzusetzende andere Zahnrad definiert.
Vorteilhaft ist, wenn, wie eine Ausgestaltung der Erfindung vorsieht, der Laufverzahnungsabschnitt von dem Verbindungsverzahnungsabschnitt an der Stufe durch eine Nut getrennt ist. Die Nut wird vorzugsweise nach dem Fertigstellen der durchgängigen Schrägverzahnung zur Trennung des Laufverzahnungsabschnittes vom Verbindungsverzahnungsabschnitt eingebracht. Durch die Nut wird zum einen das Kürzen der Zähne im Verbindungsverzahnungsabschnitt erleichtert und zum anderen die Montage der Zahnräder aufeinander vereinfacht.
Alternativ kann ein Mehrfachzahnrad der Erfindung auch mit zwei Laufverzahnungen hergestellt werden, deren Schrägverzahnungen sich bezüglich der Ausrichtung der Steigung des Schrägungswinkels voneinander unterscheiden. Die Steigungsrichtung ist dabei die Richtung, in der in 8 dargestellte Abstand zwischen den Schrägungswinkel β einschließenden Linien 4 und 13 größer wird, wobei die Linie 13 eine den Teilkreis 6 schneidende Flankenlinie ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das zweite Zahnrad auf dem ersten Zahnrad sitzt, wobei die Zahnräder durch die formschlüssige Verbindung der Verbindungsverzahnungen miteinander verbunden sind, und dass das zweite Zahnrad und das erste Zahnrad mittels wenigstens eines Sicherungselements axial aneinander gesichert sind. Das Sicherungselement ist vorzugsweise ein Sicherungsring, der bevorzugt in einer Umfangsnut des ersten Zahnrades sitzt. Die Umfangsnut kann auch durch mehrere in Umfangsrichtung in einer Ebene ausgerichtete Zahnlücken gebildet sein, die sich an die Welle-Nabe-Verbindung der beiden Zahnräder unmittelbar anschließt und die im Auslauf der ersten Verbindungsverzahnung gebildet ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass im Falle gleicher Ausrichtung der Schrägverzahnung durch geeignete Wahl des Schrägungswinkels die Axialkräfte in der Welle-Nabe-Verbindung aufgehoben werden können. Die axiale Sicherung der beiden Zahnräder des Mehrfachzahnrades aneinander wird damit vereinfacht. Ein die Zahnräder axial aneinander sichernder Sicherungsring muss in diesem Fall keine beziehungsweise kaum axiale Kräfte aufnehmen. Der Einsatz eines Sicherungsringes als Sicherungselements ist auch bei einem hochbelasteten Zahnrad ohne zusätzliche Sicherungsmittel möglich, da der Sicherungsring aufgrund der sich aufhebenden Axialkräfte im Wesentlichen von axialen Kräften frei ist.
Die Erfindung sieht auch ein Getriebe mit einem Mehrfachzahnrad vor, in dem die erste Laufverzahnung in einem ersten Zahnkontakt von mindestens einem Zahn der ersten Laufverzahnung mit einem Gegenzahn einer ersten Gegenverzahnung des Getriebes und die zweite Laufverzahnung im zweiten Zahnkontakt von mindestens einem Zahn der zweiten Laufverzahnung mit einem zweiten Zahn einer zweiten Gegenverzahnung des Getriebes steht. Die Gegenverzahnungen im Getriebe sind an Zahnrädern ausgebildet, die vorzugsweise Sonnenräder und Hohlräder in Planetentrieben sind. Die Schrägungswinkel der miteinander im Zahneingriff stehenden und im Zahnkontakt berührenden Zahnräder sind gleich groß. Die Steigungsrichtungen sind jedoch zueinander entgegengesetzt. Für das erfindungsgemäße Getriebe sind bei Betrieb des Getriebes unter Belastung des Mehrfachzahnrades an den Zahneingriffen vorzugsweise folgende Bedingungen vorgesehen: $0 = (F t 1 \times tan β 1 + F t 2 \times tan β 3) = (F t 1 \times tan β 2 + F t 2 \times tan β 3)$
wenn $0 = F a 1 + (- F a 2)$
ist.
Die für die Bedingung vorherrschenden Parameter sind anhand des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels eines Mehrfachzahnrads 17 nachvollziehbar. Das Mehrfachzahnrad 17 ist aus einem ersten Zahnrad 19 und einem zweiten Zahnrad 20 gebildet. Das erste Zahnrad 19 weist eine erste als Schrägverzahnung ausgebildete Laufverzahnung 27 und das zweite Zahnrad 20 eine als Schrägverzahnung ausgebildete Laufverzahnung 29 auf. Die erste Verbindungsverzahnung 28 des ersten Zahnrads 19 und die zweite Verbindungsverzahnung 30 des zweiten Zahnrads 20 greifen ineinander und sind gestrichelt symbolisiert, weil diese in der Darstellung nach 2 durch das Zahnrad 20 verdeckt sind.
Ft1 ist eine am ersten Zahnkontakt an einem ersten Kontaktkreisradius r₁ der ersten Laufverzahnung wirkende Tangentialkraft.
r₁ steht für den ersten Wälzkreisradius und beschreibt den um die Rotationsachse und durch den ersten Zahnkontakt verlaufenden Kontaktkreis/Wälzkreis der ersten Laufverzahnung. Der Kontaktkreis kann dem Teilkreis entsprechen oder von diesem abweichen und ist der Kreis, der durch die Kontaktpunkte verläuft, an denen sich die Zahnflanken der miteinander im Zahneingriff stehenden Laufverzahnungen in beliebigen quer zu der Rotationsachse der miteinander im Zahneingriff stehenden Zahnräder berühren.
β₁ ist der Schrägungswinkel der ersten Verbindungsverzahnung.
β₂ ist der Schrägungswinkel der als eine Schrägverzahnung ausgebildeten ersten Laufverzahnung;
F_a1 ist eine am ersten Zahnkontakt quer zur ersten Tangentialkraft Ft1 und mit der Rotationsachse gleichgerichtete Axialkraft;
β₃ ist der Schrägungswinkel der als eine vierte Schrägverzahnung ausgebildeten zweiten Laufverzahnung;
F_t2 ist eine im zweiten Zahnkontakt an einem zweiten Kontaktradius r₂ der zweiten Laufverzahnung wirkende Tangentialkraft.
r₂ steht für den zweiten Wälzkreisradius und beschreibt den um die Rotationsachse und durch den zweiten Zahnkontakt verlaufenden Wälzkreis der zweiten Laufverzahnung. Unter Wälzkreis ist in diesem Fall der durch den jeweiligen Zahnkontakt und um die Rotationsachse verlaufende Kontaktkreis zu verstehen. Der Wälzkreis kann dem Teilkreis entsprechen oder von diesem abweichen und ist der Kreis, der durch die Kontaktpunkte verläuft, an denen sich die Zahnflanken der miteinander im Zahneingriff stehenden Laufverzahnungen in beliebigen quer zu den Rotationsachsen der der miteinander im Zahneingriff stehenden Zahnräder berühren. F_a2 ist eine am ersten Zahneingriff quer zur ersten Tangentialkraft und mit der Rotationsachse gleichgerichtete Axialkraft.
Der Teilkreisdurchmesser als eine Bestimmungsgröße der jeweiligen Verzahnung entspricht dem Wälzkreisdurchmesser, wenn die Zahnräder des Mehrfachzahnrades mit jeweils einem Zahnrad mit Gegenverzahnung spielfrei kämmen. Unter Wälzkreis ist in diesem Fall der durch den jeweiligen Zahnkontakt und um die Rotationsachse verlaufende Kontaktkreis zu verstehen. Die Zusammenhänge zwischen den Teilkreisdurchmessern und den Schrägungswinkeln der Schrägverzahnungen ergeben sich aus dem Einfluss vom Modul und der Zähnezahlen, die festgelegt sind.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Schrägungswinkel der Schrägverzahnung eines der Zahnräder eine Variable, die den jeweiligen Schrägungswinkel der anderen Schrägverzahnung des Mehrfachzahnrades beeinflussen kann. Durch die Auswahl eines geeigneten Schrägungswinkels können auf diese Weise die sich im Getriebe an dem Mehrfachzahnrad, die durch die Schrägungswinkel verursachten Axialkräfte so aufeinander abgestimmt werden, dass diese sich gegenseitig sowohl an den Laufverzahnungen als auch in der Verbindungszahnung unter folgenden Bedingungen möglichst einander aufheben:

Die Axialkräfte F_a1 und F_a2 sind zueinander entgegengesetzt gerichtet.
Die Steigungsrichtungen der Schrägungswinkel β₁ , β₂ und β₃ sind gleich.
Der erste Schrägungswinkel β₁ und der zweite Schrägungswinkel β₂ sind vorzugsweise gleich groß.
Der erste Schrägungswinkel β₁ und der dritte Schrägungswinkel β₂ unterscheiden sich in ihrer Größe voneinander und werden mit dem Verfahren aufeinander abgestimmt.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der Aufwand zur Lagerung des Zahnrades oder Planetenbolzens, insbesondere Planetenrades, gering ist, da das Planetenrad von den Wirkungen der Axialkräfte des Zahneingriffs frei ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung idealer Schrägungswinkel sieht die Schrägungswinkel als eine Funktion der Teilkreise beziehungsweise der Kontaktkreise zur optimalen Zahnkraftverteilung in der Verbindungsverzahnung mit folgende Schritte vor:

- Festlegen der Teilkreise und damit die Zähnezahlen der Zahnräder aufgrund der gewählten Übersetzungen der Getriebestufe. Bestimmung des Moduls, das ein Quotient aus dem Teilkreisdurchmesser der Zähnezahl beziehungsweise Zahnteilung und π ist.
- Bestimmung des auf die erste Laufverzahnung wirkenden Drehmoments als Produkt aus dem Teilkreisradius der ersten Laufverzahnung und der an der ersten Laufverzahnung wirkenden Tangentialkraft.
- Bestimmung des auf die zweite Laufverzahnung wirkenden Drehmoments als Produkt aus dem Teilkreisradius der zweiten Laufverzahnung und der Tangentialkraft an der zweiten Laufverzahnung.
- Bestimmung der jeweiligen Axialkräfte aus dem Produkt der jeweiligen Tangentialkraft und des Tangens des jeweiligen Schrägungswinkels: $F a 1 = F t 1 \times tan β 1 und F a 2 = F t 2 \times tan β 2 F a = F t 2 \times tan β 2$
- Abstimmen der Schrägungswinkel der beiden Verzahnungen nach den oben genannten Bedingungen aufeinander. Bei der Abstimmung der Verzahnung bewirkt eine Änderung des einen Schrägungswinkels eine Anpassung des anderen Schrägungswinkels.

Beschreibung der Zeichnungen
In 6 ist die Wirkstruktur eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Getriebes 14 dargestellt. Das Getriebe 14 ist ein Planetentrieb 15 in einem Gehäuse 25, der aus einem Planetenträger 16, einem als Mehrfachzahnrad 17 ausgebildeten Doppelplaneten 18 und aus einem Sonnenrad 21 gebildet ist. Das Mehrfachzahnrad 17 ist aus einem ersten Zahnrad 19 und einem zweiten Zahnrad 20 zusammengesetzt. Der Planetentrieb 15 weist mindestens drei der Mehrfachzahnräder 17 auf, wobei jedoch nur eins in 6 bildlich dargestellt ist.. Jeder der Doppelplaneten 18 ist drehbar auf einem Planetenbolzen 22 gelagert. Jeder Planetenbolzen 22 sitzt beidseitig fest in dem Planetenträger 16. Das erste Zahnrad 19 des Mehrfachzahnrades 17 steht an mindestens einem ersten Zahnkontakt 23 im Zahneingriff mit einem Hohlrad 24. Das Hohlrad 24 ist an dem Gehäuse 25 des Getriebes 14 festgelegt. Das zweite Zahnrad 20 des Mehrfachzahnrades 17 steht an mindestens einem Zahnkontakt 26 im Zahneingriff mit dem Sonnenrad 21.
Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Mehrfachzahnrades 17 ist mit den 1, 2 und 4 dargestellt.
1 zeigt das Mehrfachzahnrad 17 in einer Gesamtansicht und 4 in einem Längsschnitt entlang seiner Rotationsachse 3. Wie zuvor schon mit der Beschreibung zu 2 beschrieben, besteht das Mehrfachzahnrad 17 aus dem ersten Zahnrad 19 und dem zweiten Zahnrad 20. Das erste Zahnrad 19 mit dem kleineren Durchmesser weist eine erste Laufverzahnung 27 und eine erste Verbindungsverzahnung 28 auf. Das zweite Zahnrad 20 ist das größere der beiden Zahnräder 19, 20 und ist mit einer zweiten Laufverzahnung 29 und einer zweiten Verbindungsverzahnung 30 versehen (4). Die Verbindungsverzahnungen 28 und 30 greifen ineinander. Zum besseren Verständnis des Zusammenwirkens der Verbindungsverzahnungen 28, 30 und der Laufverzahnung 27 für die Welle-Nabe-Verbindung kann 3 in die Betrachtungen mit einbezogen werden.
In 3 ist eine Explosivdarstellung des Mehrfachzahnrades 17 abgebildet. Die erste Laufverzahnung 27 und die erste Verbindungsverzahnung 28 sind beide außenumfangsseitig des ersten Zahnrades 19 ausgebildet. Ein Durchgangsloch 31 erstreckt sich axial durch das erste Zahnrad 19. Das Durchgangsloch 31 ist für die Lagerung des Mehrfachzahnrades 17 auf dem Planetenbolzen 22 (6) vorgesehen. Das zweite Zahnrad 20 weist außenumfangsseitig die zweite Laufverzahnung 29 auf und ist innen mit einem Durchgangsloch 32 versehen. Die zweite Verbindungsverzahnung 30 ist in das Durchgangsloch 32 eingebracht. Ein Sicherungsring 47 ist für die Sicherung des zweiten Zahnrades 20 auf dem ersten Zahnrad 19 bereitgestellt. Es ist erkennbar, dass die Laufverzahnung 27 und die Verbindungsverzahnung 28 den gleichen Verlauf aufweisen. Zur besseren Verständnis der Verzahnungsverläufe kann 2 betrachtet werden.
In 2 ist die Verzahnungsgeometrie der Laufverzahnungen 27 und 29 dargestellt. Sowohl die erste Laufverzahnung 27 als auch die zweite Laufverzahnung 29 und auch die Verbindungsverzahnungen 28 und 30 sind als Schrägverzahnungen ausgebildet. Mit den Verzahnungslinien 33, 34 und 35 sind in 2 die zur Rotationsachse 3 schräg ausgerichteten Zähne der Laufverzahnung 27 symbolisiert. Die Verzahnungslinien 36, 37, 38 und 39 symbolisieren den Verlauf der Zähne der zweiten Laufverzahnung 29. Da die Verbindungsverzahnungen 28 und 30 außen von dem zweiten Zahnrad 20 umgeben sind, sind diese durch die gestrichelten Verlängerungen 33 a, 34 a, 35 a der Verzahnungslinien 33, 34 und 35 symbolisiert. Da alle Zähne der ersten Verbindungsverzahnung 28 und der zweiten Verbindungsverzahnung 29 umfangsseitig miteinander im Zahneingriff stehen, sind die Verbindungsverzahnungen 28 und 30 jeweils mit einen gemeinsamen ersten Schrägungswinkel β₁ bzw. β₂ zur Rotationsachse 3 bzw. einer Parallelen der Rotationsachse 3 geneigt. β₃ ist der Schrägungswinkel der zweiten Laufverzahnung 29. Die Steigungsrichtung der Schrägungswinkel β₁ , β₂ , β₃ ist gleich. Am Ausführungsbeispiel des Mehrfachzahnrades 17 sind alle Schrägverzahnungen rechtssteigend. Die Steigungsrichtung eines Zahnrades lässt sich anhand der Richtung bestimmen, in die die Zähne des auf seiner Stirnseite liegenden Zahnrades geneigt sind. Erfindungsgemäß sind die Schrägungswinkel β₁ der Verbindungsverzahnungen 28 und 30 und der Schrägungswinkel β₂ der ersten Laufverzahnung 27 gleich. Der dritte Schrägungswinkel β₃ der zweiten Laufverzahnung 29 unterscheidet sich von den Schrägungswinkeln und β₁ und β₂ der ersten Laufverzahnung 27 bzw. der Verbindungsverzahnungen 28 und 30. An dem Ausführungsbeispiel des Mehrfachzahnrades 17 ist der Schrägungswinkel und β₃ der Schrägverzahnung der zweiten Laufverzahnung 29 größer als der erste Schrägungswinkel und β₁ der Verbindungsverzahnungen 28 und 30 bzw. der zweite Schrägungswinkel und β₂ der ersten Laufverzahnung 27.
In 3 ist das erste Zahnrad 19 als Einzelteil dargestellt. An der ersten Laufverzahnung ist eine radiale Stufe 40 ausgebildet. Durch die radiale Stufe 40 ist die erste Laufverzahnung 27 in einen Laufverzahnungsabschnitt 41 und einen Verbindungsverzahnungsabschnitt 42 unterteilt. Der Verbindungsverzahnungsabschnitt 42 entspricht der ersten Verbindungsverzahnung 28. Bei der Herstellung des ersten Zahnrades 19 wird zunächst aus einem Rohling durchgängig über die gesamte Breite des Zahnrades 19 eine Laufverzahnung 27 hergestellt. In einem weiteren Schritt wird zur Vorbereitung des Verbindungsverzahnungsabschnitts 42 eine Radialnut in die Laufverzahnung 27 eingebracht. Dem Betrachter erschließt sich, dass die Radialnut durch einige der Anzahl der Zähne der Laufverzahnung 27 entsprechende Lücken 43 gebildet ist, die in einer gemeinsamen Radialebene um die Rotationsachse 3 aneinandergereiht sind und welche die Zähne der Laufverzahnung 27 am Ende des Laufverzahnungsabschnitts 41 und zu Beginn des Verbindungsverzahnungsabschnitts 42 voneinander trennen. In einem nächsten Verfahrensschritt wird die Zahnhöhe der Zähne der Laufverzahnung 27 am Verbindungsverzahnungsabschnitt 42 gekürzt. Die Zahnhöhe H des jeweiligen Zahnes einer Verzahnung ist gemäß der Darstellung nach 7 durch den radialen Abstand H zwischen dem Fußkreis 7 und dem Kopfkreis 8 definiert. Dabei ist der Fußkreis 7 ein um die Rotationsachse 3 umlaufender Kreis mit dem Radius r_F . Der Kopfkreis 8 läuft auch um die Rotationsachse 3 um und weist den Radius r_K auf. Der Betrag, um den die ursprüngliche Zahnhöhe der Laufverzahnung am Verbindungsverzahnungsabschnitt gekürzt wird, ergibt sich aus den Anforderungen an die Welle-Nabe-Verbindung, die zwischen dem ersten Zahnrad 19 und dem zweiten Zahnrad 20 hergestellt werden soll. Nach dem Kürzen der Verzahnung wird am Ende des Verbindungsverzahnungsabschnitts 42 eine weitere Nut eingebracht, die sich im Wesentlichen auch aus Lücken 46 im axialen Verzahnungsverlauf der ersten Verbindungsverzahnung 28 zusammensetzt.
Die Welle-Nabe-Verbindung 45 geht aus den Darstellungen der 4 und 5 hervor. 4 zeigt den Längsschnitt durch das Mehrfachzahnrad 17 entlang der Rotationsachse 3 und 5 zeigt einen Teilschnitt durch die Zahnräder 19 und 20 an der Welle-Nabe-Verbindung 45 quer zur Richtung der Rotationsachse betrachtet. Nach der Herstellung des Verbindungsverzahnungsabschnitts 42 wird das zweite Zahnrad 20 von der Stirnseite 19 a des ersten Zahnrades her auf die Verbindungsverzahnung 28 bis zur radialen Stufe 40 aufgeschoben und mit dem Sicherungsring 47 gesichert. Dabei wird der Sicherungsring 47 in die Nut beziehungsweise Lücken 46 eingesetzt. Aus der Darstellung der 5 geht hervor, wie die erste Verbindungsverzahnung 28 und die zweite Verbindungsverzahnung 30 ineinandergreifen. Die Zähne 1 und 2 des Laufverzahnungsabschnitts 41 weisen die Zahnhöhe H auf und sind im Hintergrund der Welle-Nabe-Verbindung 45 durch die gestrichelte Linie dargestellt. Die Zähne 1' und 2' der ersten Verbindungsverzahnung 28 weisen eine gegenüber der Zahnhöhe H geringere Zahnhöhe H' auf. Die Geometrie der zwei Verbindungsverzahnungen 28 und 30 ist so aufeinander abgestimmt, dass sich die Zähne über die jeweiligen Flanken aneinander abstützen und/oder über die Zahnköpfe 48 bzw. im Grund 49 der Zahnlücken radial aneinander abgestützt und zentriert sind.
In 2 sind mit den Pfeilen die Zahnkräfte dargestellt, die bei Betrieb des Mehrfachzahnrades 17 beispielsweise in einem mit 6 dargestellten Planetentrieb 15 auftreten. Der Doppelplanet 18 bzw. das Mehrfachrad 17 befindet sich mit dem ersten Zahnrad 19 im Zahnkontakt 23 mit einem Gegenzahnrad, das in dem mit 6 dargestellten Getriebe 14 das Hohlrad 24 ist. Das zweite Zahnrad 20 befindet sich mit dem Sonnenrad in einem Zahnkontakt 26. Am ersten Zahnrad 19 wirkt im Zahnkontakt 23 eine erste Tangentialkraft F_t1 . Im zweiten Zahnkontakt 26 am zweiten Zahnrad 20 wirkt die zweite Tangentialkraft F_t2 , die der ersten Tangentialkraft F_t1 entgegengerichtet ist. Der erste und zweite Schrägungswinkel β₁ bzw. β₂ der ersten Laufverzahnung 27 und ersten Verbindungsverzahnung 28 werden so auf die Größe des dritten Schrägungswinkels β₃ der zweiten Laufverzahnung 29 abgestimmt, dass die erste Axialkraft F_a1 an der ersten Laufverzahnung 27 der zweiten Axialkraft F_a2 an der zweiten Laufverzahnung 29 entgegengerichtet ist und die Axialkräfte F_a1 und F_a2 sich in ihrer Größe einander aufheben.
Bezugszeichenliste

1: Zahn
1': Zahn
2: Zahn
2': Zahn
3: Rotationsachse
4: Parallele
5: Schrägverzahnung
6: Teilkreis
7: Fußkreis
8: Kopfkreis
9: Schnittpunkt
10: Schnittpunkt
11: Zahnflanke
11a: Teilungslinie
12: Zahnflanke
12a: Teilungslinie
13: Flankenlinie
14: Getriebe
15: Planetentrieb
16: Planetenträger
17: Mehrfachzahnrad
18: Doppelplanet
19: erstes Zahnrad
19a: Stirnseite
20: zweites Zahnrad
21: Sonnenrad
22: Planetenbolzen
23: Zahnkontakt
24: Hohlrad
25: Gehäuse
26: Zahnkontakt
27: Laufverzahnung
28: Verbindungsverzahnung
29: Laufverzahnung
30: Verbindungsverzahnung
31: Durchgangsloch
32: Durchgangsloch
33: Verzahnungslinie
33a: Verlängerung
34: Verzahnungslinie
34a: Verlängerung
35: Verzahnungslinie
36: Verzahnungslinie
37: Verzahnungslinie
38: Verzahnungslinie
39: Verzahnungslinie
40: radiale Stufe
41: Laufverzahnungsabschnitt
42: Verbindungsverzahnungsabschnitt
43: Lücke
44: nicht belegt
45: Welle-Nabe-Verbindung
46: Lücke
47: Sicherungsring
48: Zahnkopf
49: Grund einer Zahnlücke

Claims

Mehrfachzahnrad (17), das zumindest aus einem ersten Zahnrad (19) mit einer ersten Laufverzahnung (27) und aus einem zweiten Zahnrad (20) mit einer zweiten Laufverzahnung (29) gebildet ist, wobei das erste Zahnrad (19) mit einer ersten Verbindungsverzahnung (28) und das zweite Zahnrad (20) mit einer zweiten Verbindungsverzahnung (30) versehen ist und wobei das zweite Zahnrad (20) auf dem ersten Zahnrad (19) sitzt, so dass die Zahnräder (19, 20) über ineinander greifende Zähne der Verbindungsverzahnungen (28, 30) in Richtung um die Rotationsachse (3) des Mehrfachzahnrads (17) zumindest mit einer formschlüssigen Verbindung miteinander verbunden sind und wobei die erste Verbindungsverzahnung (28) an einem Verbindungsverzahnungsabschnitt (42) des ersten Zahnrades (19) bereitgestellt ist und dabei zwischen einem Laufverzahnungsabschnitt (41) der Laufverzahnung (27) und dem Verbindungsverzahnungsabschnitt (42) eine radiale Stufe (40) ausgebildet ist, wobei die erste Verbindungsverzahnung (28) eine erste Schrägverzahnung mit einem ersten Schrägungswinkel (β₁) und die zweite Verbindungsverzahnung (30) zweite Schrägverzahnung mit dem ersten Schrägungswinkel (β₁) ist und wobei die erste Laufverzahnung (27) eine dritte Schrägverzahnung mit einem zweiten Schrägungswinkel (β₂) ist und die zweite Laufverzahnung (29) durch eine vierte Schrägverzahnung mit einem dritten Schrägungswinkel (β₃) definiert ist, wobei die Zähne der ersten Laufverzahnung (27) eine größere radiale Zahnhöhe (H) aufweisen als die Zähne der ersten Verbindungsverzahnung (28), dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungsrichtung des zweiten Schrägungswinkels (β₂) der ersten Laufverzahnung (27) und des dritten Schrägungswinkels (β₃) der zweiten Laufverzahnung (29) gleich ist, wobei die Steigungsrichtung des ersten Schrägungswinkels (β₁) der ersten Schrägverzahnung der Steigungsrichtung der Schrägungswinkel (β₂, β₃) der Laufverzahnungen (27, 29) entspricht, und dass der erste Schrägungswinkel (β₁) genauso groß ist wie der zweite Schrägungswinkel (β₂), wobei die erste Laufverzahnung (27) und die erste Verbindungsverzahnung (28) die gleiche Anzahl an Zähnen aufweisen und dabei die Teilung (A) der ersten Laufverzahnung (27) der Teilung (A) der ersten Verbindungsverzahnung (28) entspricht, und dass die erste Verbindungsverzahnung (28) an einem Verbindungsverzahnungsabschnitt (42) der ersten Laufverzahnung (27) bereitgestellt ist, wobei zwischen einem Laufverzahnungsabschnitt (41) der Laufverzahnung (27) und dem Verbindungsverzahnungsabschnitt (42) die radiale Stufe (40) derart ausgebildet ist, dass die radiale Zahnhöhe (H') des jeweiligen der Zähne an dem Verbindungsverzahnungsabschnitt (42) geringer ist als die radiale Zahnhöhe (H) des jeweiligen gleichen Zahnes an dem Laufverzahnungsabschnitt (41) der ersten Laufverzahnung (27).
Mehrfachzahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schrägungswinkel (β₂) der ersten Laufverzahnung (27) und der dritte Schrägungswinkel (β₃) der zweiten Laufverzahnung (29) sich hinsichtlich ihrer Größe voneinander unterscheiden.
Mehrfachzahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufverzahnungsabschnitt (41) an der Stufe (40) durch jeweils eine axiale Lücke (43) im jeweiligen Zahn der Laufverzahnung (27) von dem Verbindungsverzahnungsabschnitt (42) getrennt ist.
Mehrfachzahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zahnrad (20) und das erste Zahnrad (19) mittels wenigstens eines Sicherungsrings (47) axial aneinander gesichert sind.
Getriebe (14) mit einem Mehrfachzahnrad (17) nach Anspruch 1, wobei die erste Laufverzahnung (27) in einem ersten Zahnkontakt (26) mit einem Zahnrad (21) des Getriebes (14) und die zweite Laufverzahnung (29) in einem zweiten Zahnkontakt (23) mit einem weiteren Zahnrad (24) des Getriebes steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (14) ein Planetentrieb (15) ist, wobei das Mehrfachzahnrad (17) ein Doppelplanet (18) des Planetentriebs (15) ist