-
Die Erfindung betrifft ein Zahnrad nach dem Oberbegriff von Anspruch 1und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zahnrads nach Anspruch 20.
-
Mit höheren Leistungen bei Windkraftanlagen geht ein Trend hin zu dreistufigen Getrieben mit zwei eingangs hintereinander geschalteten Planetenstufen und einer Stirnradstufe am Getriebeausgang. Insbesondere die zweite Planetenstufe ist aufgrund höherer Drehzahlen kritisch im Hinblick auf Geräuschemissionen.
-
Um Geräusche in Planetenstufen zu reduzieren, wird in der Druckschrift
DE 10 2015 009 070 A1 eine spezielle Anordnung der Planetenräder empfohlen. Die Planetenräder sind in Umfangsrichtung der Drehachse eines Sonnenrads unregelmäßig voneinander beabstandet. Dies hat zur Folge, dass die Verzahnungen der Planetenräder zu verschiedenen Zeiten vom Einzeleingriff zum Doppeleingriff übergehen und so die Geräuschemissionen sinken.
-
Allerdings gehen unregelmäßig voneinander beabstandete Planetenräder mit Verspannungen einher. Es kommt zu erhöhtem Verschleiß und im Extremfall zu Verklemmungen. Diesem Problem kann nur in begrenztem Maße durch ein erhöhtes Flankenspiel begegnet werden. Selbst dann ist ein negativer Einfluss auf die beiden Lastverteilungen und damit eine Leistungsminderung zu erwarten.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile zu eliminieren. Insbesondere sollen die Geräuschemissionen einer Planetenstufe gesenkt werden, ohne deren Haltbarkeit und Leistungsfähigkeit zu verschlechtern.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Zahnrad nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 20. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
-
Erfindungsgemäß ist ein axialer Abstand von einem ersten Punkt einer Linie, die einen Kopf und eine Flanke eines Zahns einer Verzahnung des Zahnrads voneinander trennt, zu einer Mittelachse des Zahnrads größer als ein radialer Abstand eines zweiten Punkt einer Linie, die einen Kopf und eine Flanke eines Zahns einer Verzahnung voneinander trennt, zu der Mittelachse. Bei dem ersten Punkt und dem zweiten Punkt handelt es sich um voneinander verschieden Punkte.
-
Der radiale Abstand eines Punkts zu einer Achse entspricht einem Abstand zwischen dem Punkt und einem Fußpunkt eines Lots von dem Punkt auf die Achse.
-
Unter einer Flanke eines Zahns einer Verzahnung eines ersten Zahnrads versteht man einen Teil der Oberfläche des Zahns, der ausgebildet ist, mit mindestens einem Zahn der Verzahnung eines zweiten Zahnrads in direkten Kontakt zu kommen, wenn das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad miteinander kämmen. Jeder Zahn weist genau zwei Flanken auf, die einander abgewandt sind. Die zwei Flanken sind durch drei weitere Flächen - zwei Stirnflächen und ein Kopf des Zahns - miteinander verbunden.
-
Bei dem Kopf handelt es sich um die Fläche des Zahns, die radial am weitesten außerhalb, d.h. von der Mittelachse entfernt, angeordnet ist. Neben den beiden Flanken des Zahns verbindet der Kopf auch die Stirnflächen des Zahns miteinander. Der Kopf wird also von den beiden Flanken und den beiden Stirnflächen umrandet. Zwischen den Flanken und dem Kopf verläuft jeweils eine Linie, welche die Flanken und den Kopf voneinander trenn. Dies bedeutet, dass sowohl der Kopf, als auch die Flanke an die jeweilige Linie angrenzt. Die Linie ist einerseits Teil einer Umrandung des Kopfs und andererseits Teil einer Umrandung der Flanke. Die Linie bildet also eine gemeinsame Begrenzungslinie des Kopfs und der Flanke.
-
Ist das erfindungsgemäße Zahnrad drehbar gelagert, entspricht die Mittelachse einer Drehachse des Zahnrads. Handelt es sich bei dem Zahnrad um ein Hohlrad oder ein Sonnenrad einer Planetenstufe, kann das Zahnrad drehfest angeordnet sein. In diesem Fall ist ein Planetenträger der Planetenstufe drehbar gelagert. Die Mittelachse entspricht dann einer Drehachse des Planetenträgers.
-
Der radiale Abstand des ersten Punkts zu der Mittelachse ist vorzugsweise um mindestens 0,8% größer als der radiale Abstand des zweiten Punkts zu der Mittelachse. Insbesondere kann der radiale Abstand des ersten Punkts zu der Mittelachse um mindestens 1,6% größer sein als der radiale Abstand des zweiten Punkt zu der Mittelachse.
-
Der erste Punkt und der zweite Punkt definieren eine axiale Begrenzung der jeweiligen Flanke nach außen hin. Die äußere Begrenzung der Zahnflanken legen die Eingriffsstrecken der Zahneingriffe des Zahnrads längenmäßig fest. Durch die unterschiedlichen Abstände des ersten Punkts und des zweiten Punkts von der Mittelachse ergeben sich in Querschnittsebenen, die den ersten Punkt bzw. den zweiten Punkt schneiden, somit unterschiedlich lange Eingriffsstrecken. Hieraus resultieren unterschiedliche Profilüberdeckungen.
-
Die Profilüberdeckung beeinflusst das Verhältnis von Einzeleingriff zu Doppeleingriff. Durch die Erfindung wird somit erreicht, dass die Verhältnisse von Einzeleingriff zu Doppeleingriff sich zwischen den erwähnten Querschnittsebenen unterscheiden. Dies hat zur Folge, dass die zeitliche Korrelation der Eingriffsstöße der Verzahnung des Zahnrads aufgeweitet wird. Hierdurch werden Tonalitäten, d.h. einzelne Peaks im Frequenzspektrum der Geräuschemissionen vermindert. Das resultierende Frequenzspektrum entspricht einem Rauschen.
-
Der erste Punkt und der zweite Punkt können in bevorzugten Weiterbildungen entweder auf derselben Linie oder auf unterschiedlichen Linien liegen. Im erstgenannten Fall sind der erste Punkt und der zweite Punkt axial versetzt zueinander angeordnet. Eine erste Querschnittsebene, die den ersten Punkt umfasst, ist somit axial versetzt zu einer zweiten Querschnittsebene angeordnet, die den zweiten Punkt umfasst.
-
Mit Querschnittsebene wird eine orthogonal zu der Mittelachse verlaufende Ebene bezeichnet, welche das Zahnrad schneidet.
-
Ein axialer Abstand zwischen dem ersten Punkt und dem zweiten Punkt beträgt vorzugsweise mindestens 50% einer axialen Breite des Zahnrads. Insbesondere kann der axiale Abstand 70, 80 oder 90% der axialen Breite des Zahnrads betragen. Der axiale Abstand entspricht einem Abstand zwischen einem Fußpunkt eines Lots von dem ersten Punkt auf die Mittelachse und einem Fußpunkt eines Lots von dem zweiten Punkt auf die Mittelachse.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Kopfkreisdurchmesser der Verzahnung in der ersten Querschnittsebene größer als ein Kopfkreisdurchmesser der Verzahnung in der zweiten Querschnittsebene. Dies impliziert, dass die Verzahnung des Zahnrads in der ersten Querschnittsebene und in der zweiten Querschnittsebene durch Kreise - die Kopfkreise - radial nach außen hin begrenzt wird.
-
Vorzugsweise verjüngt sich der Kopfkreisdurchmesser der Verzahnung des Zahnrads in axialer Richtung. In einer bevorzugten Weiterbildung verringert sich entsprechend der Kopfkreisdurchmesser von der ersten Querschnittsebene in axialer Richtung hin zu der zweiten Querschnittsebene kontinuierlich.
-
Liegt der erste Punkt auf einer ersten Linie und der zweite Punkt auf einer zweiten Linie, die nicht mit der ersten Linie identisch ist, so trennt die erste Linie in einer bevorzugten Weiterbildung einen Kopf und eine Flanke eines ersten Zahns der Verzahnung voneinander, wobei der erste Zahn von einem zweiten Zahn verschieden ist. Die zweite Linie trennt einen Kopf und eine Flanke eines zweiten Zahns voneinander.
-
Liegen der erste Punkt und der zweite Punkt auf unterschiedlichen Linien, so sind sie in einer bevorzugten Weiterbildung in einer gemeinsamen Querschnittsebene angeordnet.
-
Bei Anordnung der beiden Punkte in einer gemeinsamen Querschnittsebene wiederum ist das Zahnrad bevorzugt derart weitergebildet, dass mindestens ein Kopfkreis der Verzahnung exzentrisch verläuft. Der Kopfkreis ist ein Kreis, welcher die Verzahnung radial nach außen hin begrenzt. Insbesondere kann der in der genannten Querschnittsebene liegen.
-
Der exzentrische Verlauf des Kopfkreises ist gleichbedeutend damit, dass ein Mittelpunkt eines Kopfkreises nicht auf der Mittelachse, sondern versetzt zu dieser angeordnet ist. Der Versatz, d.h. ein lotrechter Abstand des Mittelpunkts zu der Mittelachse, beträgt vorzugsweise 0,1% eines Durchmessers des Kopfkreises. Insbesondere kann der Versatz mindestens 0,2% des Durchmessers betragen.
-
Sämtliche Kopfkreise des Zahnrads bilden vorzugsweise einen geraden Kreiszylinder, der exzentrische angeordnet ist, d.h. dessen Mittelachse sich von der Mittelachse des Zahnrads unterscheidet. Bevorzugt verlaufen die beiden Mittelachsen parallel zueinander. Der Abstand der beiden Mittelachsen zueinander entspricht dem oben genannten Versatz.
-
Die Begrenzung der Verzahnung des Zahnrads in der gemeinsamen Querschnittsebene des ersten Punkts und des zweiten Punkts muss nicht kreisförmig verlaufen. Stattdessen kann die Verzahnung in einer bevorzugten in der Querschnittsebene Weiterbildung radial nach außen hin durch eine geschlossene, nicht kreisförmige Kurve begrenzt sein.
-
Die Kurve ist bevorzugt oval. Insbesondere kann die Kurve in einer bevorzugten Weiterbildung ellipsenförmig sein.
-
Bei der Flanke des ersten Zahns und der Flanke des zweiten Zahns handelt es sich in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung um zwei Linksflanken oder um zweite Rechtsflanken. Die Begriffe Linksflanke und Rechtsflanke definiert die Norm DIN 3960. Kämmt das Zahnrad mit einem Gegenrad, wirken die Flanke des ersten Zahns und die Flanke des zweiten Zahns weiterbildungsgemäß entweder als zwei Arbeitsflanken oder als zwei Rückflanken.
-
Die Erfindung eignet sich für beliebige Formen der Verzahnung. Bevorzugt ist die Verzahnung als Evolventenverzahnung weitergebildet. Die Flanken der Verzahnung werden also durch Evolventen gebildet.
-
Abgesehen von den spezifisch gestalteten Köpfen der Verzahnung entsprechen die übrigen Verzahnungsparameter vorzugsweise den Parametern herkömmlicher Verzahnungen. So weist die Verzahnung in einer bevorzugten Weiterbildung mindestens einen zu der Mittelachse zentrischen Grundkreis auf. Die Mittelachse verläuft dabei durch einen Mittelpunkt des Grundkreises. Insbesondere in den Querschnittsebenen, die ersten Punkt und/oder den zweiten Punkt umfassen, ist bevorzugt ein zu der Mittelachse zentrischer Grundkreis enthalten.
-
In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung bilden alle Grundkreise der Verzahnung eine Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders. Dessen Mittelachse und die Mittelachse des Zahnrads sind identisch.
-
Entsprechendes gilt bevorzugt für die Teilkreise der Verzahnung. So weist die Verzahnung in einer bevorzugten Weiterbildung mindestens einen zu der Mittelachse zentrischen Teilkreis auf. Insbesondere Teilkreise, die in den Querschnittsebenen liegen, welche den ersten Punkt und/oder den zweiten Punkt umfassen, verlaufen vorzugsweise zentrisch zu der Mittelachse.
-
Sämtliche Teilkreise der Verzahnung bilden in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung eine Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders.
-
Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Planetenrad oder eine bevorzugte Weiterbildung dieses Planetenrads Teil einer Planetenstufe. Die Planetenstufe ist bevorzugt derart weitergebildet, dass es sich auch bei einem Sonnenrad und/oder einem Hohlrad der Planetenstufe um ein erfindungsgemäße Planetenrad oder eine bevorzugte Weiterbildung handelt.
-
Aufgrund ihres Geräuschverhaltens eignet sich eine derartige Planetenstufe besonders zur Verwendung in einem Windkraftgetriebe. Insbesondere eignet sich die Planetenstufe als zweite Planetenstufe der eingangs beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten, dreistufigen Windkraftgetriebe.
-
Ebenso kann das erfindungsgemäße Zahnrad oder eine bevorzugten Weiterbildung als ein erstes Stirnrad Teil einer Stirnradstufe sein. Das erste Stirnrad kämmt mit einem zweiten Stirnrad der Stirnradstufe. Eine Drehachse des ersten Stirnrads und eine Drehachse des zweiten Stirnrads sind relativ zueinander feststehend und verlaufen bevorzugt parallel.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung der Stirnradstufe ist auch das zweite Stirnrad als erfindungsgemäßes Zahnrad oder bevorzugte Weiterbildung dieses Zahnrads ausgestaltet.
-
Erfindungsgemäß hergestellt wird das erfindungsgemäße Zahnrad oder eine bevorzugte Weiterbildung dieses Zahnrads, indem in einem ersten Schritt ein Rohling und in einem zweiten Schritt aus dem Rohling das Zahnrad gefertigt wird. Der zweite Schritt wird nach dem ersten Schritt ausgeführt.
-
Bei dem Rohling handelt es sich in einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens um ein herkömmliches Stirnrad. Dies impliziert, dass die Zähne einer Verzahnung des Stirnrads zunächst radial nach außen hin durch die Mantelfläche des geraden Kreiszylinders begrenzt werden. Dieser Kreiszylinder wird auch Kopfzylinder genannt.
-
Indem mindestens ein Kopf eines Zahns der Verzahnung des Stirnrads mittels eines trennenden Fertigungsverfahrens verarbeitet wird, entsteht aus dem Rohling das erfindungsgemäße Zahnrad oder eine bevorzugte Weiterbildung. Aufgrund der trennenden Bearbeitung verringert sich die Höhe des Kopfs. Die übrigen Verzahnungsparameter, insbesondere die Grundkreise und Teilkreise sowie deren Durchmesser, bleiben hingegen unverändert.
-
In einer alternativ bevorzugten Weiterbildung wird in dem ersten Schritt zunächst die äußere Kontur des Rohlings gefertigt. Mittels eines trennenden Fertigungsverfahrens wird dabei eine Mantelfläche, d.h. eine um die zentrale Achse verlaufende Fläche des Rohlings verarbeitet. Die Mantelfläche wird so bearbeitet, dass sie entlang der Köpfe der Verzahnung des im weiteren Verlauf zu fertigenden Zahnrads verläuft.
-
Nach der Bearbeitung unterscheidet sich die Mantelfläche des Rohlings insbesondere von der Mantelfläche eines Kreiszylinders.
-
In dem zweiten Schritt wird die Verzahnung in die Mantelfläche eingebracht. Dies geschieht vorzugsweise durch herkömmliches Wälzfräsen. Die im zweiten Schritt nicht bearbeiteten Teile der Mantelfläche bilden die Köpfe der Verzahnung.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:
- 1 eine Stirnradstufe; und
- 2 ein Zahnrad mit exzentrischem Kopfkreis.
-
Ein in 1 dargestelltes erstes Zahnrad 101 und ein zweite Zahnrad 103 kämmen miteinander. Eine Drehachse 105 des ersten Zahnrads 101 und eine Drehachse 107 des zweiten Zahnrads 103 verlaufen parallel zueinander und sind relativ zueinander feststehend.
-
Eine Verzahnung 109 des ersten Zahnrads 101 wird radial nach außen hin durch einen Kegelstumpf begrenzt, d.h. die Kopfkreise der Verzahnung 109 bilden einen Kegelstumpf. Ein - aus Perspektive von 1 - linksseitiger Kopfkreisdurchmesser da
1 ist entsprechend größer als ein -aus der Perspektive von 1 - rechtsseitiger Kopfkreisdurchmesser da
2 .
-
Das zweite Zahnrad 103 ist analog aufgebaut. So wird auch eine Verzahnung 111 des zweiten Zahnrads 103 radial nach außen hin durch einen Kegelstumpf begrenzt. Dieser wird gebildet durch die Kopfkreise der Verzahnung 111 des zweiten Zahnrads 103. Ein - aus der Perspektive von 1 - linksseitiger Kopfkreisdurchmesser da
3 der Verzahnung 111 des zweiten Zahnrads 103 ist größer als ein - aus der Perspektive von 1 - rechtsseitiger Kopfkreisdurchmesser da
4 .
-
2 zeigt ein Zahnrad 201 mit einer Verzahnung 202, die einen exzentrisch verlaufenden Kopfkreis 203 aufweist. Ein Mittelpunkt 205 des Kopfkreises 203 weist einen von Null verschiedenen Versatz a gegenüber einer Drehachse 207 des Zahnrads 201 auf. Ein Mittelpunkt eines Teilkreises 209 hingegen liegt auf der Drehachse 207.
-
Bezugszeichenliste
-
- 101
- erstes Zahnrad
- 103
- zweites Zahnrad
- 105
- Drehachse des ersten Zahnrads
- 107
- Drehachse des zweiten Zahnrads
- 109
- Verzahnung des ersten Zahnrads
- 111
- Verzahnung des zweiten Zahnrads
- 201
- Zahnrad
- 203
- Kopfkreis
- 202
- Verzahnung
- 205
- Mittelpunkt des Kopfkreises
- 207
- Kopfkreis
- 207
- Drehachse
- 209
- Teilkreis
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102015009070 A1 [0003]
