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Die Erfindung betrifft ein geteiltes Zahnrad mit zwei Teilzahnrädern nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Verwendung des geteilten Zahnrades.
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Durch die
DE 20 2010 016 197 U1 wurde ein geteiltes Zahnrad, genannt spielfrei laufendes Zahnrad, mit zwei Teilzahnrädern bekannt, die koaxial nebeneinander und relativ zueinander verdrehbar angeordnet sind. Das erste Teilzahnrad ist drehfest und das zweite Teilzahnrad ist drehverstellbar auf einer gemeinsamen Achse angeordnet und über eine Hirth-Verzahnung mit einem Druckring verbunden. Die beiden Teilzahnräder sind in Verbindung mit dem Druckring durch eine Spanneinrichtung, vorzugsweise Tellerfedern in axialer Richtung verspannt, so dass zwischen dem zweiten Teilzahnrad und dem drehfest auf der Achse angeordneten Druckring ein von der axialen Verspannung abhängiges Drehmoment durch die Hirth-Verzahnung übertragbar ist. Aufgrund der axialen Verspannung sind die Verzahnungen der beiden Teilzahnräder in unbelastetem Zustand gegeneinander versetzt, d. h. die Verzahnungen fluchten nicht in axialer Richtung. In belastetem Zustand dagegen, d. h. im Eingriff mit einem weiteren Zahnrad liegen beide Teilzahnräder in Flucht, wodurch ein Zahnspiel ausgeglichen wird.
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Aus
DE 269597 A ist ein geteiltes Zahnrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Die Teilzahnräder sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, wobei eines der Teilzahnräder fest auf der Welle sitzt, während das andere (bewegliche) Teilzahnrad mittels einer axial verschiebbaren Buchse auf der Welle gelagert ist. Eine axial außerhalb der Teilzahnräder auf der Welle angeordnete Schraubenfeder (als Druckfeder wirkend) drückt das bewegliche Teilzahnrad gegen das wellenfeste Teilzahnrad, um die Teilzahnräder zur Erzielung eines Spielausgleichs gegeneinander zu verspannen.
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Daneben sei auf
DE 81 09 324 U1 verwiesen, woraus ein geteiltes Zahnrad mit Merkmalen gemäß dem Obergriff des Anspruchs 1 bekannt ist. Zwischen den zwei Teilzahnrädern wirken über den Umfang verteilt angeordnete Wälzkörper, die je über eine in einer Ausnehmung eines Teilzahnrads aufgenommene Druckfeder beaufschlagt werden. Das axial bewegliche Teilzahnrad (dort: „Beiläuferrad“) wird dadurch gegen eine am axialen Ende angeordnete Stützscheibe gedrückt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, bei einem geteilten Zahnrad der eingangs bekannten Art weitere Potenziale, insbesondere hinsichtlich des axialen Bauraumes auszuschöpfen.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen den beiden Teilzahnrädern Wälzkörper angeordnet sind, welche sich über Rampen, die in Umfangsrichtung verlaufen und als schiefe Ebenen wirken, gegenseitig abstützen. Bei einer Verdrehung der axial gegeneinander verspannten Teilzahnräder gegeneinander wälzen sich die Wälzkörper auf den Rampen ab und erzeugen dabei ein Vorspanndrehmoment entgegen der Drehrichtung. Der Neigungswinkel der Rampen bestimmt dabei das Verhältnis zwischen Axialkraft und Umfangskraft respektive dem erzeugten Drehmoment: Ein geringer Neigungswinkel (Steigung) der Rampen hat eine hohe Axialkraft bei einem geringen Weg in axialer Richtung zur Folge. Gleichzeitig nimmt die Umfangskraft ab, d. h. das Verhältnis von Axialkraft zu Umfangskraft wird mit kleiner werdender Steigung bzw. geringerem Neigungswinkel größer.Erfindungsgemäß sind die Teilzahnräder durch über den Umfang verteilte Zugfederelemente axial miteinander verspannt. Die Zugfederelemente wirken wie elastisch ausgebildete Zuganker, welche sich mit ihren Enden jeweils an einem Teilzahnrad abstützen und diese gegeneinander verspannen. Durch die Zugfederelemente ergibt sich ein geschlossener Kraftfluss zwischen den Teilzahnrädern; es bedarf also keiner zusätzlichen Verspannelemente.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Rampen in Vertiefungen, welche sich in den einander zugewandten Stirnflächen der Teilzahnräder befinden, angeordnet. Die Vertiefungen wirken als Führung der Wälzkörper in Umfangsrichtung und bilden am Fuß der Rampe eine Rastposition für die Wälzkörper. Im unbelasteten Zustand, wenn also keine Umfangskraft auf die Verzahnungen der beiden Teilzahnräder wirkt, befinden sich die Wälzkörper in der Rastposition, d. h. an der tiefsten Stelle der Vertiefungen, und die Verzahnungen der Teilzahnräder weisen in Umfangsrichtung einen Versatz auf, d. h., sie liegen nicht in Flucht. Dieser Versatz entspricht einem Zahnspiel zwischen den Zahnrädern, die miteinander in Eingriff stehen. Werden die beiden Teilzahnräder bei einem Eingriff mit einem anderen Zahnrad belastet, so werden sie gegeneinander verdreht, bis der Versatz aufgehoben ist. Dabei wälzen sich die Wälzkörper an den sich gegenüberliegenden Rampen ab und erzeugen eine Axialbewegung gegen die axiale Verspannkraft.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Wälzkörper als Kugeln ausgebildet, was eine minimale Reibung aufgrund der Wälzbewegung zur Folge hat.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Wälzkörper als Zylinderrollen ausgebildet, wodurch eine höhere Flächenpressung zwischen Wälzkörper und Rampe möglich ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Teilzahnräder in axialer Richtung verlaufende Durchbrüche, insbesondere Axialbohrungen zur Aufnahme und Führung der Zugfederelemente auf. Letztere werden also durch beide Teilzahnräder gesteckt und an ihren Enden verankert. Dadurch wird kein zusätzlicher Bauraum, weder in radialer noch in axialer Richtung, für den Einbau der Zugfederelemente beansprucht. Es ergibt sich somit eine kompakte Anordnung für das geteilte Zahnrad.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Zugfederelemente als Rundstäbe, vorzugsweise aus einem Federstahl hergestellt. Diese Lösung ist insbesondere bei hohen Axialkräften respektive einem geringen Neigungswinkel der Rampen von Vorteil, da hier eine hohe Federsteifigkeit verlangt wird. Derartige als Zugfedern ausgebildete Rundstäbe erfordern einen minimalen Bauraum und tragen somit zu einer kompakten Bauweise des geteilten Zahnrades bei.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Zugfederelemente als Spiralfedern ausgebildet, welche in der Regel eine geringere Federsteifigkeit, d. h. eine höhere Dehnung in axialer Richtung aufweisen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Zugfederelemente an den Außenseiten der Teilzahnräder abgestützt. Eine solche Abstützung oder Verankerung der Zugfederelemente, seien es Rundstäbe oder Spiralfedern, kann raumsparend in einer Versenkung der Außenflächen angeordnet werden. Somit ergibt sich auch in dieser Hinsicht keine Vergrößerung des axialen Bauraumes.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das geteilte Zahnrad, umfassend die beiden Teilzahnräder, als Planetenrad in einem Planetengetriebe verwendet, d. h. das geteilte Zahnrad befindet sich in ständigem Eingriff mit einem Sonnen- und/oder einem Hohlrad. Die beiden Teilzahnräder sind auf einem Planetenbolzen gelagert, welcher seinerseits an einem Planetenträger befestigt ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen axialen Verspannung über Wälzkörper wird ein Zahnspiel mit den in Eingriff befindlichen Zahnrädern ausgeglichen. Akustische Auffälligkeiten wie Flankenschlagen bei Drehrichtungsumkehr des Planetengetriebes werden somit vermieden. 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 geteiltes Zahnrad mit zwei in Umfangsrichtung gegeneinander versetzten Teilzahnrädern in schematischer Darstellung und
- 2 das geteilte Zahnrad mit Einzelteilen in einer Explosivdarstellung.
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1 zeigt ein geteiltes Zahnrad (ohne Bezugszahl), welches aus einem ersten Teilzahnrad 1 und einem zweiten Teilzahnrad 2 zusammengesetzt ist. Das erste Teilzahnrad 1 weist eine als Stirnverzahnung ausgebildete Verzahnung auf, welche symbolisch durch einen Schlitz 1a dargestellt ist. Das zweite Teilzahnrad 2 weist eine identische Stirnverzahnung auf, welche symbolisch durch einen Schlitz 2a dargestellt ist. Beide Teilzahnräder 1, 2 sind durch eine Trennfuge 3, welche im Wesentlichen in einer Radialebene verläuft, voneinander getrennt und weisen jeweils eine Lagerbohrung 4 auf, in welcher eine gemeinsame Achse oder ein gemeinsamer Bolzen (nicht dargestellt) aufnehmbar ist. Beide Stirnverzahnungen 1a, 2a sind hinsichtlich ihres Zahnprofils gleich ausgebildet, jedoch in der zeichnerischen Darstellung in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, und zwar um das Bogenmaß b. Die Verzahnungen, dargestellt durch die beiden Schlitze 1a, 2a, liegen also nicht in einer Flucht.
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Das geteilte Zahnrad wird vorzugsweise als Planetenrad in einem nicht dargestellten Planetengetriebe verwendet, und steht daher mit mindestens einem weiteren Zahnrad, z. B. einem Sonnen- und/oder einem Hohlrad in Eingriff. Zwischen den Zahnflanken der miteinander kämmenden Zahnräder tritt ein Zahnspiel auf, welches bei Drehrichtungsumkehr zu einem Flankenschlagen führen kann. Letzteres wird aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung, welche im Zusammenhang mit 2 erläutert wird, ausgeschaltet. Der in 1 dargestellte Versatz b der Verzahnungen 1a, 2a entspricht dabei dem erwähnten Zahnspiel.
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2 zeigt die beiden Teilzahnräder 1, 2 in einer Explosivdarstellung, wobei für das zweite Teilzahnrad 2 eine plan ausgebildete Stirnfläche 5 mit auf dem Umfang verteilt angeordneten Vertiefungen 6 sichtbar ist. Das erste Teilzahnrad 1 weist eine analoge nicht sichtbare Stirnfläche mit Vertiefungen in gleicher Zahl und Anordnung auf. Als Kugeln 7 ausgebildete Wälzkörper 7 werden in den Vertiefungen 6 aufgenommen und geführt. In den Vertiefungen 6 sind jeweils in Umfangsrichtung verlaufende Rampen 6a angeordnet, welche als schiefe Ebenen für die Wälzbewegung der Wälzkörper 7 wirken. Im ersten Teilzahnrad 1 sind über den Umfang verteilt, sich in axialer Richtung erstreckende Durchbrüche 8, vorzugsweise Axialbohrungen 8 angeordnet, welche der Aufnahme und Führung von Zugfederelementen 9, ausgebildet als elastische Rundstäbe 9, dienen. Das zweite Teilzahnrad 2 weist, was aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt ist, ebenfalls Durchbrüche 8 in gleicher Anordnung und Ausbildung auf. Die Zugfederelemente 9 weisen endseitig Abstützelemente 9a, 9b, auch Anker 9a, 9b genannt, auf, über welche sie in den beiden Teilzahnrädern 1, 2 abstützbar oder verankerbar sind.
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Beim Zusammenbau des ersten und des zweiten Teilzahnrades 1, 2 werden die Wälzkörper 7 in den Vertiefungen 6 (in beiden Teilzahnrädern 1, 2) positioniert, so dass sie als Abstütz- und Lagerelemente sowie als Abstandshalter zwischen beiden Teilzahnrädern 1, 2 wirken. Durch die Vertiefungen 6 werden die Kugeln 7 auf einer Kreisbahn geführt, wobei sie sich auf den Rampen 6a abwälzen. Nachdem die Zugfederelemente 9 in den Axialbohrungen 8 (in beiden Teilzahnrädern 1, 2) positioniert sind, werden sie mit einer geeigneten, nicht dargestellten Vorrichtung gespannt, so dass eine axial gerichtete Vorspannkraft erzeugt wird, welche auf die zwischen beiden Teilzahnrädern 1, 2 angeordneten Wälzkörper 7 wirkt. Die Vertiefungen 6 und die Verzahnungen 1a, 2a sind derart zueinander angeordnet, dass nach der Verspannung beider Teilzahnräder 1, 2 der in 1 dargestellte Versatz b vorliegt; dabei befinden sich die Wälzkörper 7 in einer Rastposition. Bei Belastung der beiden Teilzahnräder 1, 2 durch eine Umfangs- oder Zahnkraft wird ein Drehmoment ausgeübt, welches den Versatz b (1) eliminiert, indem beide Teilzahnräder 1, 2 gegeneinander verdreht werden. Dabei wird aufgrund der sich auf den Rampen 6a abwälzenden Kugeln 7 gegen die Axialkraft der Zugfederelemente 9 eine Axialbewegung der beiden Teilzahnräder 1, 2 in entgegen gesetzte Richtungen erzeugt, d. h. die Trennfuge 3 (1) wird breiter. Bei Wegfall der Belastung, z. B. bei Drehrichtungsumkehr nehmen die beiden Teilzahnräder 1, 2 wieder ihre in 1 dargestellte Position mit einem Versatz b ein. Damit wird ein Zahnspiel überbrückt.
Wie oben bereits erwähnt, wird das geteilte Zahnrad vorzugsweise als Planetenrad in einem Planetengetriebe verwendet, wobei die beiden Teilzahnräder 1, 2 auf einem Planetenbolzen (nicht dargestellt) gelagert sind. Bei einer Drehrichtungsumkehr des Planetengetriebes wird somit ein Flankenschlagen zwischen Planetenrad und Hohlrad und/oder zwischen Planetenrad und Sonnenrad vermieden. Aufgrund des minimalen Bauraumes lässt sich das geteilte Planetenrad problemlos in den Planetenträger einbauen.
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Die in der Zeichnung dargestellten, als Rundstäbe 9 ausgebildeten Zugfederelemente können auch als Spiralfedern ausgebildet werden, welche in der Regel weicher sind, d. h. eine geringere Federsteifigkeit und einen größeren Federweg in axialer Richtung besitzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Teilzahnrad
- 1a
- Verzahnung
- 2
- zweites Teilzahnrad
- 2a
- Verzahnung
- 3
- Trennfuge
- 4
- Lagerbohrung
- 5
- Stirnfläche
- 6
- Vertiefung
- 6a
- Rampe
- 7
- Wälzkörper/Kugel
- 8
- Durchbruch
- 9
- Zugfederelement
- 9a
- Abstützelement
- 9b
- Abstützelement
- b
- Versatz
