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Die Erfindung betrifft ein geteiltes Zahnrad, umfassend ein erstes und ein zweites Teilzahnrad, welche koaxial, drehbar und nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse angeordnet und in axialer Richtung über mindestens ein Federelement gegeneinander verspannt sind. Die Erfindung betrifft auch einen Planetenträger eines Planetengetriebes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.
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Durch die
DE 10 2015 206 063 A1 wurde ein geteiltes Zahnrad mit zwei Teilzahnrädern bekannt, welche auf einer gemeinsamen Achse nebeneinander angeordnet und durch eine kreissegmentförmige Biegefeder in Drehrichtung gegeneinander verspannt sind. Im entspannten Zustand sind die Teilzahnräder in Umfangsrichtung infolge der Vorspannung durch die Biegefeder gegeneinander verdreht, so dass die Verzahnungen beider Teilzahnräder nicht miteinander fluchten. Bei Belastung durch Eingriff mit einem weiteren Zahnrad wird der Versatz der Verzahnungen aufgehoben, so dass die Verzahnungen beider Teilzahnräder miteinander fluchten. Aufgrund der Verspannung der beiden Teilzahnräder wird ein Zahnspiel beim Eingriff mit anderen Zahnrädern ausgeglichen und ein Flankenschlagen, welches insbesondere bei Drehrichtungsumkehr auftritt, vermieden. Das geteilte Zahnrad wird vorzugsweise als Planetenrad in einem Planetengetriebe verwendet und steht somit mit einem Sonnen- und/oder Hohlrad in Zahneingriff.
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Durch die
DE 20 2010 016 197 U1 wurde ein geteiltes Zahnrad mit zwei Teilzahnrädern bekannt, welche auf einer gemeinsamen Achse einerseits drehfest und andererseits drehverstellbar angeordnet und in axialer Richtung gegeneinander verspannt sind. Das zweite Teilzahnrad, welches drehverstellbar auf der gemeinsamen Achse angeordnet ist, steht über eine Hirth-Verzahnung, auch Stirnverzahnung genannt, mit einem drehfest, jedoch axial verschiebbar auf der gemeinsamen Achse angeordneten Druckring in Eingriff, welcher durch Tellerfedern in axialer Richtung belastet ist. Die Hirth-Verzahnung ist durch eine Vielzahl von auf dem Umfang angeordneten, radial ausgerichteten Zähnen, welche in Axialrichtung ansteigende Flanken aufweisen, gekennzeichnet. Das zweite, drehverstellbare Teilzahnrad ist mittels der Hirth-Verzahnung und der axialen Verspannung in Bezug auf das erste Teilzahnrad in eine Drehstellung vorgespannt, in der die Zähne der beiden Teilzahnräder in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind, d. h. die Verzahnungen liegen nicht in Flucht zueinander. Bei Belastung des geteilten Zahnrades durch Eingriff mit einem anderen Zahnrad wird der Drehversatz infolge der Zahnkräfte aufgehoben, so dass die Verzahnungen wieder in Flucht zueinander liegen. Hierdurch wird das Zahnspiel ausgeglichen.
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Aus
DE 10 2015 204 166 A1 ist ein geteiltes Zahnrad bekannt, das ein erstes und ein zweites Teilzahnrad aufweist. Die zwei Teilzahnräder sind koaxial, drehbar und nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse angeordnet und in axialer Richtung über mindestens ein Federelement gegeneinander verspannt. Die Teilzahnräder weisen benachbarte erste Stirnseiten und zweite Stirnseiten mit Strukturen auf, welche miteinander in Eingriff stehen und jeweils als in Axialrichtung ansteigende Anpressflächen ausgebildet sind, so dass ein Verdrehen der Teilzahnräder gegeneinander gleichzeitig eine axiale Verschiebung bewirkt. Das aus
DE 10 2015 204 166 A1 bekannte geteilte Zahnrad weist somit die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 auf und kann insofern als gattungsbildend angesehen werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein geteiltes Zahnrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 mit verringertem axialen Bauraum anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem geteilten Zahnrad gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Nach einem ersten Aspekt der Erfindung weisen die Teilzahnräder an ihren innen, d. h. sich gegenüber liegenden Stirnflächen Strukturen auf, welche derart ausgebildet sind und miteinander in Eingriff stehen, dass ein Verdrehen der Teilzahnräder gegeneinander eine axiale Verschiebung der Teilzahnräder in entgegen gesetzte Richtungen bewirkt. Hierzu weisen die Strukturen in axiale Richtung ansteigende Anpressflächen auf, welche im Prinzip wie schiefe Ebenen wirken, d. h. aus einer Axialkraft oder Axialbewegung eine Umfangskraft oder Umfangsbewegung und umgekehrt erzeugen. Die axiale Verspannung der beiden Teilzahnräder gegeneinander erfolgt über mindestens ein Federelement, damit eine Axialbewegung der beiden Teilzahnräder möglich ist.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strukturen respektive die Anpressflächen gewellt ausgebildet, wobei im Verlauf in einer Umfangsrichtung Wellenberge auf Wellentäler folgen. In der Ruhe- oder Rastposition liegen Wellenberge der ersten Struktur in Wellentälern der zweiten Struktur, so dass bei einem Verdrehen beider Teilzahnräder gegeneinander ein Vorspanndrehmoment überwunden werden muss. In der Rastposition sind die Verzahnungen beider Teilzahnräder gegeneinander versetzt. Beim Zahneingriff mit einem anderen Zahnrad wirken Zahn- oder Umfangskräfte, welche beide Teilzahnräder so weit gegeneinander verdrehen, dass die Verzahnungen in Flucht kommen. Diese Drehbewegung geschieht gegen den Widerstand der aufeinander gleitenden Anpressflächen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die an den Stirnseiten angeordneten Strukturen als in Umfangsrichtung verlaufende Rampen, d. h. als gleichmäßig in axialer und tangentialer Richtung ansteigende Anpressflächen ausgebildet, welche jeweils durch einen Absatz voneinander getrennt sind. Vorzugsweise sind zwei Rampen von jeweils 180 Grad Umfangswinkel vorgesehen. Die Rampen sind mit den Gewindegängen eines Bolzengewindes vergleichbar.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Strukturen als Stirnverzahnungen, auch Hirth-Verzahnung genannt, ausgebildet. Über den Winkel der Zahnflanken der Hirth-Verzahnung kann das Verhältnis von Axial- zu Umfangskraft eingestellt werden.
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Erfindungsgemäß ist das mindestens eine Federelement zwischen den Teilzahnrädern angeordnet. Dabei ist das Federelement der Struktur der Stirnseiten der Teilzahnräder angepasst, beispielsweise gewellt, d. h. als Wellenfederscheibe ausgebildet. Durch die mittige Anordnung des Federelements wird axialer Bauraum für das geteilte Zahnrad eingespart.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das mittig angeordnete Federelement, welches als Wellenfederscheibe ausgebildet und somit in axialer Richtung nachgiebig ist, mit einem der beiden Teilzahnräder in Umfangsrichtung koppelbar, beispielsweise über Mitnehmerelemente am Teilzahnrad, welche in Durchbrüche am Federelement eingreifen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das als Wellenfederscheibe ausgebildete Federelement zwischen den beiden Teilzahnrädern gelagert, beispielsweise in einer Führung zentriert, jedoch in axialer Richtung verformbar und in Drehrichtung lose. In diesem Falle weisen beide Stirnseiten der Teilzahnräder die gleiche Struktur, nämlich die des Federelements auf.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die gemeinsame Achse als Zugbolzen ausgebildet, welche die Vorspannkraft aus dem oder den Federelementen aufnimmt. Durch den Zugbolzen ergibt sich ein in sich geschlossener Kraftfluss.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung gemäß Anspruch 5 ist bei einem Planetenträger eines Planetengetriebes ein Planetenrad vorgesehen, welches als erfindungsgemäßes geteiltes Zahnrad ausgebildet ist. Dadurch kann das Zahnspiel bei einem Zahneingriff mit einem Hohl- und/oder Sonnenrad ausgeglichen werden. Bei einem solchen Planetengetriebe kann somit ein mit Geräusch verbundenes Flankenschlagen unterbunden werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die als Federelemente ausgebildeten Anlaufscheiben entweder aus einem selbstschmierenden Material hergestellt, oder sie weisen eine Beschichtung aus einem reibungsarmen Stoff auf. Somit können beide Funktionen, nämlich die eines Federelements und die einer Anlaufscheibe erfüllt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Teilzahnrädern und einem zwischen beiden angeordneten, koppelbaren ersten Federelement,
- 2 eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispieles mit einem zwischen den Teilzahnrädern gelagerten zweiten Federelement,
- 3 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Teilzahnrädern und beiderseits angeordneten federnden Anlaufscheiben,
- 4 zwei Teilzahnräder mit einer Stirnverzahnung als Einzelteile und
- 5 die beiden Teilzahnräder als Planetenrad auf einem Planetenbolzen der in einem Planetenträger gelagert ist.
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1 zeigt in einer Explosivdarstellung ein erstes Teilzahnrad 1 sowie ein zweites Teilzahnrad 2, zwischen denen ein scheibenförmig ausgebildetes, gewelltes Federelement 3 angeordnet ist. Das erste Teilzahnrad 1 weist eine erste Stirnfläche 1a mit einer kreisringförmigen, gewellten, als Anpressfläche 4 ausgebildeten Struktur 4 auf. Die Struktur 4 weist sich in axialer Richtung erstreckende Erhebungen und Vertiefungen auf, welche als Wellenberge 4a und Wellentäler 4b ausgebildet sind, die in Umfangsrichtung aufeinander folgen. Das scheibenförmige Federelement 3 weist eine ähnliche Struktur wie das erste Teilzahnrad 1 auf, wobei ebenfalls Wellenberge 3a in Umfangsrichtung auf Wellentäler 3b folgen. Das gewellte Federelement 3, auch Wellenfeder 3 genannt, ist in axialer Richtung elastisch verformbar und mit dem zweiten Teilzahnrad 2 in Drehrichtung koppelbar; es weist daher, auf dem Umfang verteilt, Durchbrüche 5, auch Mitnahmeöffnungen 5 genannt, auf. Das zweite Teilzahnrad 2 weist auf seiner in der Zeichnung nicht sichtbaren, der Stirnfläche 1a des ersten Teilzahnrades 1 gegenüberliegenden Stirnfläche nicht sichtbare Mitnehmerelemente, z. B. axial abstehende Zapfen auf, welche in die Durchbrüche 5 des Federelements 3 formschlüssig eingreifen und das Federelement 3 in Umfangsrichtung mitnehmen. Beide Teilzahnräder 1, 2 weisen Lagerbohrungen 6, 7 auf, über welche sie auf einer nicht dargestellten gemeinsamen Achse drehbar gelagert werden können. Beide Teilzahnräder 1, 2 werden in axialer Richtung, d. h. in Richtung der gemeinsamen Achse durch nicht dargestellte Haltemittel (dies kann beispielsweise ein die Teilzahnräder 1, 2 aufnehmender Planetenträger sein) seitlich abgestützt. Durch eine Verdrehung der Teilzahnräder 1, 2 zueinander kommt die gewellte Struktur 4 mit der gewellten Struktur 3a, 3b des Federelements 3 in Kontakt.
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Im unbelasteten Zustand, d. h. in einer Rastposition liegen Wellenberge 3a des Federelements 3 in Wellentälern 4b des ersten Teilzahnrades 1. In diesem entspannten Zustand sind die Verzahnungen (nicht dargestellt) beider Teilzahnräder 1, 2 in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, d. h. sie liegen in axialer Richtung nicht in Flucht miteinander. Bei einer Verdrehung der beiden Teilzahnräder 1, 2 gegeneinander wird das Federelement 3 in axialer Richtung elastisch verformt, wobei ein Rückstellelement auftritt, welches versucht, die Teilzahnräder 1, 2 in ihre Rastposition zurückzudrehen.
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2 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles gemäß 1, wobei ein erstes Teilzahnrad 11 und ein zweites Teilzahnrad 12 sowie ein Federelement 13 in Explosionsdarstellung dargestellt sind. Für gleiche bzw. analoge Teile werden in 2 Bezugszahlen verwendet, die gegenüber den Bezugszahlen in 1 um 10 erhöht sind. Dass erste Teilzahnrad 11 weist auf seiner Stirnseite 11a eine gewellte Struktur 14 auf, welche der gewellten Struktur 4 der 1 entspricht. Das Federelement 13 weist die gleiche gewellte Struktur auf wie das Federelement 3 in 1 und ist der gewellten Struktur 14 des ersten Teilzahnrades 11 angepasst, d. h. in axialer Richtung elastisch verformbar. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist das Federelement 13 keine Mitnahmeöffnungen auf und ist als geschlossene Wellenfederscheibe 13 ausgebildet, welche - was nicht dargestellt ist - zwischen den beiden Teilzahnrädern 11, 12 gelagert, d. h. in Bezug auf die gemeinsame Achse der beiden Teilzahnräder 11, 12 zentriert ist. Beide Teilzahnräder 11, 12, die nicht mit der Wellenfederscheibe gekoppelt sind, werden in axialer Richtung durch nicht dargestellte Haltemittel seitlich abgestützt, wobei die nicht sichtbare Stirnfläche des zweiten Teilzahnrades 12 eine gleiche gewellte Struktur aufweist wie die Struktur 14 des ersten Teilzahnrades 11. Der Wirkmechanismus des Ausführungsbeispieles gemäß 1 entspricht dem des Ausführungsbeispieles gemäß 2.
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3 zeigt ein geteiltes Zahnrad mit einem ersten Teilzahnrad 21 und einem zweiten Teilzahnrad 22. Das erste Teilzahnrad 21 weist eine innere Stirnfläche 21a mit einer Struktur 24 auf, welche durch zwei sich jeweils über 180° erstreckende Rampen 24a, 24b gebildet wird. Die Rampen 24a, 24b sind jeweils durch einen Absatz 24c voneinander getrennt und wirken jeweils als schiefe Ebene, vergleichbar mit einem Gewindegang. Das zweite Teilzahnrad 22 weist eine äußere Stirnfläche 22a und auf seiner nicht sichtbaren inneren Stirnseite, welche der Stirnseite 21a des ersten Teilzahnrades 21 gegenüber liegt, eine identische Struktur auf, d. h. ebenfalls zwei Rampen mit Absätzen. Auch hier gibt es eine Rastposition, bei welcher Absatz an Absatz liegt. Beide Teilzahnräder 21, 22 sind drehbar auf einer nicht dargestellten gemeinsamen Achse gelagert, welche nach einer bevorzugten Ausführungsform als Planetenbolzen ausgebildet ist, welcher in einem nicht dargestellten Planententräger beiderseits gelagert ist. Beiderseits der Teilzahnräder 21, 22 sind so genannte Anlaufscheiben 23a, 23b angeordnet, welche als Federelemente, z. B. als Tellerfedern ausgebildet sind. Die federnden Anlaufscheiben 23a, 23b bewirken einerseits eine Verspannung der Teilzahnräder 21, 22 gegeneinander, so dass die auf beiden Stirnseiten angeordneten Rampen gegenseitig miteinander in Eingriff kommen, und andererseits die Minderung der Reibung zwischen den äußeren Stirnflächen 22a der Teilzahnräder 21, 22 und dem Planetenträger. Die Anlaufscheiben 23a, 23b sind vorzugsweise aus einem selbstschmierenden Material oder aus einem Material hergestellt, dessen Oberfläche durch einen Beschichtungsprozess behandelt worden ist, um ein gutes Gleitverhalten zu erlangen. Abweichend von der zeichnerischen Darstellung kann die durch Rampen gebildete Struktur auch durch eine gewellte Struktur, ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, ersetzt werden.
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4 zeigt ein geteiltes Zahnrad, welches ein erstes Teilzahnrad 31 und ein zweites Teilzahnrad 32, jeweils mit einer Verzahnung 31a und 32a, umfasst. Beide Teilzahnräder 31, 32 sind koaxial zu einer Drehachse a nebeneinander angeordnet und weisen auf ihren einander zugewandten Stirnseiten Stirnverzahnungen 34a, 34b, auch Hirth-Verzahnungen genannt, auf, die in der Darstellung gemäß 4 außer Eingriff sind. Die beiden Teilzahnräder 31, 32 weisen jeweils Lagerbohrungen 36, 37 auf, über welche sie auf einer in 5 dargestellten gemeinsamen Achse 38 drehbar gelagert werden können.
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5 zeigt die beiden Teilzahnräder 31, 32, drehbar auf einem Planetenbolzen 38 angeordnet, wobei die beiden Stirnverzahnungen 34a, 34b miteinander in Eingriff sind. Die beiden Teilzahnräder 31, 32 bilden zusammen ein Planetenrad 30, welches Teil eines vollständig nicht dargestellten Planetengetriebes ist. Letzteres weist einen Planetenträger mit einer ersten Tragwand 39a und einer zweiten Tragwand 39b auf, in welchen der Planetenbolzen 38 abgestützt ist. Zwischen der zweiten Tragwand 39b und dem zweiten Teilzahnrad 32 ist ein als Paket von Tellerfedern 33 ausgebildetes Federelement angeordnet, welches sich einerseits an der zweiten Tragwand 39b und anderseits über die beiden Teilzahnräder 31, 32 an der ersten Tragwand 39a abstützt. Beide Tragwände 39a, 39b sind Teil des Planetenträgers, so dass die durch die Tellerfedern 33 ausgeübte Axialkraft über den Planetenträger in einem geschlossen Kraftfluss aufgenommen ist.
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Im unbelasteten oder entspannten Zustand, d. h. wenn keine Umfangs- oder Zahnkräfte auf die Verzahnung 31a, 32a (4) wirken, befinden sich die beiden Stirnverzahnungen 34a, 34b in einer Rastposition, d. h. die beiden Teilzahnräder 31, 32 weisen aufgrund der axialen Verspannung einen minimalen axialen Abstand zueinander auf, d. h. sie sind auf Anschlag. In dieser Rastposition sind die Verzahnungen 31a, 32a in axialer Richtung nicht in Flucht zueinander, vielmehr weisen sie einen Versatz in Umfangsrichtung auf, welcher in der Größenordnung des üblichen Zahnspiels mit anderen Zahnrädern liegt. Wird das geteilte Zahnrad oder das Planetenrad 30 durch Eingriff mit weiteren Zahnrädern, z. B. einem Hohlrad und/oder einem Sonnenrad des Planetengetriebes belastet, so werden die beiden Teilzahnräder 31, 32 so weit gegeneinander verdreht, bis die beiden Verzahnungen 31a, 32a (4) in axialer Richtung fluchten. Bei einem Drehrichtungswechsel, d. h. einem Nachlassen der Belastung verdrehen sich beide Teilzahnräder 31, 32 wieder in Richtung Rastposition, wodurch ein Zahnspiel überbrückt und ein Flankenschlagen vermieden wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Teilzahnrad
- 1a
- Stirnseite
- 2
- zweites Teilzahnrad
- 3
- Federelement/Wellenfederscheibe
- 3a
- Wellenberg
- 3b
- Wellental
- 4
- Struktur/Anpressfläche
- 4a
- Wellenberg
- 4b
- Wellental
- 5
- Durchbruch
- 6
- Lagerbohrung
- 7
- Lagerbohrung
- 11
- erstes Teilzahnrad
- 11a
- Stirnseite
- 12
- zweites Teilzahnrad
- 13
- Federelement/Wellenfederscheibe
- 14
- Struktur/Anpressfläche
- 21
- erstes Teilzahnrad
- 21a
- innere Stirnseite
- 22
- zweites Teilzahnrad
- 22a
- äußere Stirnfläche
- 23a
- erste Anlaufscheibe
- 23b
- zweite Anlaufscheibe
- 24
- Struktur/Anpressfläche
- 24a
- erste Rampe
- 24b
- zweite Rampe
- 24c
- Absatz
- 30
- Planetenrad
- 31
- erstes Teilzahnrad
- 31a
- erste Verzahnung
- 32
- zweites Teilzahnrad
- 32a
- zweite Verzahnung
- 33
- Tellerfedern
- 34a
- erste Stirnverzahnung (Hirth-Verzahnung)
- 34b
- zweite Stirnverzahnung (Hirth-Verzahnung)
- 36
- Lagerbohrung
- 37
- Lagerbohrung
- 38
- Planetenbolzen
- 39a
- erste Tragwand
- 39b
- zweite Tragwand
- a
- Drehachse
