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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschinenkomponente. Unter der Maschinenkomponente wird insbesondere eine Kombination aus Welle und Nabe verstanden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Getriebe, umfassend eine derartige Maschinenkomponente. Die Maschinenkomponente stellt eine sichere und zuverlässige Welle-Nabe-Verbindung dar.
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Aus dem Stand der Technik sind Getriebe bekannt. Diese dienen zur Übertragung von Drehmoment, wofür Zahnräder verwendet werden. Die Zahnräder müssen zur Drehmomentübertragung über eine Welle-Nabe-Verbindung mit einer Welle gekoppelt werden. Dazu sind aus dem Stand der Technik Steckzahnverbindungen bekannt. Solche Steckzahnverbindungen können beispielsweise Zahnwellenverbindungen oder Keilwellenverbindungen sein. Bei solchen Verbindungen verbleibt stets ein Spiel, weswegen lediglich spielbehaftete Wellen-Naben-Verbindungen realisiert werden können. Ein solches Spiel ist zumeist nicht definierbar und verursacht Zahnflankenschäden, Geräusche, schlechte Tragbilde der Verzahnung, punktuelle Drehlastübertragungen, Erhöhung der Lagerbelastung der Welle und insbesondere auch verkürzte Lebensdauererwartungen der Zahnräder und damit auch des Getriebes.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Maschinenkomponente ermöglicht eine Spielfreiheit der Welle-Nabe-Verbindung sowie eine gute Positionierung bzw. Koaxialität zwischen Welle und Nabe. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad erhöhen und insbesondere eine Lebensdauererwartung der Maschinenkomponente verbessern. Es werden insbesondere unerwünschte Geräusche, schlechte Tragbilde der Verzahnung, punktuelle Drehlastübertragungen und Erhöhungen von Lagerbelastungen der Lager der Welle vermieden.
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Die erfindungsgemäße Maschinenkomponente umfasst eine Welle und eine Nabe. Die Nabe kann insbesondere als Zahnrad eines Getriebes ausgelegt sein. Die Welle weist eine Vielzahl von, bevorzugt außenverzahnten, ersten Zähnen auf. Die Nabe weist eine Vielzahl von, bevorzugt innenverzahnten, zweiten Zähnen auf. Die ersten Zähne und die zweiten Zähne stehen miteinander in Eingriff, so dass Welle und Nabe drehfest und insbesondere spielfrei verbunden sind. Durch die ersten Zähne und die zweiten Zähne ist somit insbesondere eine Steckzahnverbindung realisiert. Die ersten Zähne sind dazu insbesondere umlaufend auf einem äußeren Umfang der Welle angebracht, wobei die zweiten Zähne vorteilhafterweise ebenfalls umlaufend auf einem inneren Umfang der Nabe angeordnet sind. Durch das drehfeste Verbinden von Welle und Nabe lassen sich somit sicher spielfrei und zuverlässig sowie insbesondere spielfrei Drehmomente übertragen. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die ersten Zähne und die zweiten Zähne geradlinige, flache Flankenflächen und/oder gekrümmte Flankenflächen aufweisen. Unter den Flankenflächen der Zähne sind dabei diejenigen Flächen zu verstehen, die miteinander tangiert in Kontakt zu bringen sind, damit die ersten Zähne und die zweiten Zähne miteinander in Eingriff stehen. Es ist weiterhin vorgesehen, dass zumindest eine geradlinige Flankenfläche eines ersten Zahns an einer gekrümmten Flankenfläche eines zweiten Zahns oder zumindest eine gekrümmte Flankenfläche des ersten Zahns an einer geraden Flankenfläche eines zweiten Zahns anliegt. Somit ist vorgesehen, dass stets eine gekrümmte Flankenfläche an einer geradlinigen Flankenfläche tangiert anliegt. Dies bedeutet, dass die ersten Zähne und die zweiten Zähne allesamt in einem Linienkontakt stehen. Dies ermöglicht, dass die Zähne gegenseitig federnd spannend und mit den tangierten Linien klammernd angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich vorteilhafterweise eine bezüglich der Welle tangentiale Zentrierung erreichen. Damit ist außerdem ermöglicht, dass Drehmomente spielfrei und verlustfrei übertragen werden. Dies führt insbesondere dazu, dass die zuvor beschriebenen Vorteile erreicht werden können. Insbesondere ist eine Lebensdauer der Maschinenkomponente und ein Übertragungswirkungsgrad erhöht.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass sämtliche erste Zähne gerade Flankenflächen und sämtliche zweiten Zähne gekrümmte Flankenflächen aufweisen. Alternativ weisen sämtliche erste Zähne gekrümmte Flankenflächen und sämtliche zweiten Zähne gerade, flache Flankenflächen auf. Diejenigen Zähne, die gekrümmte Flankenflächen aufweisen, können insbesondere als Evolventen-Verzahnungen ausgebildet sein.
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Die Welle oder die Nabe in Schnittdarstellung, die die Zähne mit den geraden Flankenflächen aufweist, stellt somit einen Teil einer Keilwellenverbindung dar. Die Welle oder Nabe mit den Zähnen mit gekrümmten Flankenflächen kann vorteilhafterweise eine Komponente einer Zahnwellenverbindung darstellen. Allerdings können die gekrümmten Flankenflächen beliebige Formen aufweisen, solange ein Linienkontakt sichergestellt ist. Komplexe Geometrien wie bei Evolventen-Flanken sind vorteilhafterweise nicht notwendig, können insbesondere aber verwendet werden. Durch die Ausbildung derart, dass alle geraden Flankenflächen an entweder der Welle oder der Nabe angeordnet sind und sämtliche gekrümmten Flankenflächen ebenfalls an entweder der Welle oder der Nabe angebracht sind, lassen sich Welle und Nabe einfach und aufwandsarm fertigen. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass jeder Zahn einen Linienkontakt aufweist, da die in Kontakt stehenden Zahnflanken jeweils einmal gekrümmt und einmal geradlinig ausgebildet sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die ersten Zähne und/oder die zweiten Zähne derart ausgebildet, dass diese Einführphasen aufweisen. Die Einführphasen sind an einem bezüglich der Welle axialen Endbereich angeordnet. Somit ist insbesondere ein Einstecken der Welle in die Nabe oder ein Aufstecken der Nabe auf die Welle vereinfacht. Insbesondere ist durch die Einführphasen sichergestellt, dass die Zähne miteinander in Eingriff bringbar sind. Somit müssen keine relative Ausrichtung von Welle und Nabe unter der federnden und spannenden Wirkung der ersten Zähne und zweite Zähne erfolgen. Vielmehr können die ersten Zähne und zweiten Zähne optimal relativ zueinander platziert werden, um anschließend durch eine Kraft in Axialrichtung die Welle und die Nabe in eine relative Zielposition zueinander zu bringen. Dadurch ist die Fertigung der Maschinenkomponente vereinfacht.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die ersten Zähne und/oder die zweiten Zähne in Axialrichtung Unterbrechungen aufweisen. Somit sind jeweils zumindest zwei unterschiedliche Gruppen erster Zähne und/oder zweiter Zähne gebildet. Die Gruppen erster Zähne und/oder zweiter Zähne sind insbesondere in Axialrichtung voneinander getrennt und laufen in Umfangsrichtung um die Welle an der Nabe um. Durch eine derartige Ausbildung lassen sich somit unterschiedliche Bereiche definieren, an denen Drehmomentübertragungen vorliegen. Es ist dabei insbesondere möglich, dass lediglich die ersten Zähne oder lediglich die zweiten Zähne derartige Unterbrechungen aufweisen, während die jeweils anderen Zähne diese Unterbrechungen nicht aufweisen. Durch die Unterbrechungen ist eine Montagekraft verringert, da der gesamte Kontaktbereich zwischen ersten Zähnen und zweiten Zähnen verringert ist. An den Unterbrechungen sind somit die ersten Zähne und/oder die zweiten Zähne vollständig ausgespart, so dass hier keinerlei Kontakt zwischen der Welle und der Nabe vorhanden ist.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass zumindest zwei Gruppen erster Zähne und/oder zumindest zwei Gruppen zweiter Zähne unterschiedliche Radien aufweisen. Zwischen der Zahngruppe mit kleinem Radius und der Zahngruppe mit großem Radius ist insbesondere die besagte Unterbrechung besonders vorteilhaft eine vollständige Aussparung vorgesehen. Somit ist eine Montagekraft beim Montieren der Nabe und der Welle, insbesondere auch bei axial großen Abmessungen der Nabe, auf einen kleinstmöglichen Wert optimierbar, wobei gleichzeitig eine gewünschte Drehmomentübertragungsfähigkeit sichergestellt ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Welle eine Auswölbung auf. Die Auswölbung erstreckt sich in einer radialen Richtung bezüglich der Welle von der Welle weg. Die Auswölbung ist zum Anliegen an der Nabe ausgebildet und liegt somit an der Nabe an, insbesondere dann, wenn die Nabe in ihrer Zielposition der Maschinenkomponente angeordnet ist. Alternativ ist vorgesehen, dass besagte Auswölbung an der Nabe angeordnet ist und an der Welle anliegt. Durch das radiale Erstrecken der Auswölbung ist eine radiale Zentrierung von Nabe und Welle ermöglicht. Dies führt zu einem optimalen Anbringen bzw. Zentrieren der Nabe auf der Welle, da die Welle-Nabe-Verbindung sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung spielfrei erfolgt. Somit kann eine lange Lebensdauer der Maschinenkomponente erreicht werden.
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Besonders vorteilhaft ist die Auswölbung an einem axialen Randbereich der Verbindung zwischen Welle und Nabe angebracht. Dadurch ist ermöglicht, dass zunächst sämtliche erste Zähne und zweite Zähne in Eingriff bringbar sind, wobei die ersten Zähne und die zweiten Zähne über den größten Teil der vorgesehenen Länge relativ zueinander tangiert in Eingriff bringbar sind. Erst an einem Ende eines Fügeprozesses der Welle und der Nabe erfolgt ein Ineingriffbringen der Auswölbungen und somit ein radiales Zentrieren. Dies vereinfacht das Zusammenfügen von Welle und Nabe, da zunächst lediglich die Zähne gegeneinander verspannt werden müssen, um eine in Umfangsrichtung spielfreie Verbindung herzustellen, erst danach ist zusätzlich eine spannende oder klemmspannende Verbindung von Welle und Nabe über die Auswölbungen vorzusehen, um auch eine radiale Zentrierung sicherzustellen.
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Besonders vorteilhaft ist außerdem vorgesehen, dass die Auswölbung an einem Zahnkopf, insbesondere an jedem Zahnkopf der ersten Zähne und/oder zweiten Zähne angeordnet sind. Somit ist ein platzsparender Aufbau realisiert. Insbesondere lässt sich außerdem auf diese Weise ein Montageaufwand vereinfachen.
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Die ersten Zähne und/oder die zweiten Zähne sind vorteilhafterweise elastisch oder feinplastisch verformt, wenn diese im Eingriff stehen. Somit ist besagte spielfreie Verbindung zwischen Welle und Nabe etabliert. Durch die elastische Verformung entsteht eine elastische Rückstellkraft, die eine spannende Verbindung zwischen Welle und Nabe realisiert. Dadurch ist erreicht, dass Welle und Nabe fest und zentriert miteinander verbunden sind, wodurch Drehmomente spielfrei und verlustfrei übertragen werden können.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Getriebe. Das Getriebe umfasst zumindest eine Maschinenkomponente wie zuvor beschrieben. Die Nabe ist dabei insbesondere ein Zahnrad des Getriebes. Durch die Maschinenkomponente ist das Getriebe somit langlebig ausgebildet. Außerdem ist ermöglicht, dass die Drehmomente in dem Getriebe zumindest zwischen Welle und Nabe, insbesondere Zahnrad, spielfrei, geräuschfrei, verschleißfrei und verlustfrei übertragen werden können.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Abbildung einer Maschinenkomponente gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Abbildung einer Maschinenkomponente gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische Detailansicht eines Teilbereichs der Maschinenkomponente gemäß dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine schematische Schnittansicht einer Maschinenkomponente gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 5 eine schematische Abbildung eines Teilbereichs eines Getriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch in Querschnitt-Darstellung eine Maschinenkomponente 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Maschinenkomponente 1 umfasst eine Welle 2 und eine Nabe 3. Die Nabe 3 kann vorteilhafterweise als Zahnrad 14 eines Getriebes 10 (vgl. 5) ausgebildet sein. Um Drehmoment zwischen der Welle 2 und der Nabe 3 zu übertragen, ist eine Welle-Nabe-Verbindung vorgesehen. Diese ist als Steckzahnverbindung ausgebildet.
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In 1 ist gezeigt, dass die Welle 2 eine Vielzahl von ersten Zähnen 4 aufweist. Die Nabe 3 weist eine Vielzahl von zweiten Zähnen 5 auf. Die ersten Zähne 4 und die zweiten Zähne 5 stehen miteinander tangiert in Eingriff, wodurch eine drehfeste Verbindung zwischen Welle 2 und Nabe 3 ermöglicht ist.
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Die Verbindung zwischen Welle 2 und Nabe 3 erfolgt spielfrei. Dies wird dadurch gewährleistet, dass die ersten Zähne 4 gekrümmte Flankenflächen 7 aufweisen. Die zweiten Zähne 5 weisen geradlinige Flankenflächen 6 auf. Dadurch ist ein Linienkontakt zwischen den ersten Zähnen 4 und den zweiten Zähnen 5 realisiert. Außerdem erfolgt ein Verspannen der ersten Zähne 4 und der zweiten Zähne 5, so dass in Umfangsrichtung eine spielfreie Verbindung zwischen Welle 2 und Nabe 3 hergestellt ist. Es ist somit ermöglicht, Drehmoment zwischen der Nabe 3 und der Welle 2 spielfrei und verlustfrei zu übertragen.
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Ist die Welle 2 mit der Nabe 3 verbunden, so erfolgt ein elastisches, bevorzugt mit einem feinplastischen Anteil, Verformen der ersten Zähne 4 und/oder der zweiten Zähne 5 an den gekrümmten Flankenflächen 7. Dadurch sind elastische Rückspielkräfte vorhanden, durch die besagtes Verspannen der ersten Zähne 4 und der zweiten Zähne 5 erfolgt.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Welle 2 und die Nabe 3 radial zentriert sind. Hierfür sind insbesondere Auswölbungen 12 vorgesehen. Die Auswölbungen 12 sind vorteilhafterweise an einem Zahnkopf 13 der ersten Zähne 4 angebracht und erstrecken sich in radialer Richtung nach außen. Die Auswölbungen 12 liegen an der Nabe 3 an. Insbesondere erfolgt wiederum ein elastisches Verformen der Auswölbungen 12 und/oder der Nabe 3, so dass elastische Rückstellkräfte vorhanden sind. Diese elastischen Rückstellkräfte führen zu einem Verspannen von Welle 2 und Nabe 3 in radialer Richtung, so dass auch hier eine Zentrierung vorhanden ist.
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Um das Zusammenfügen von Welle 2 und Nabe 3 zu vereinfachen, sind insbesondere Einführphasen 8 vorhanden. Die Einführphasen 8 befinden sich an einem axialen Ende der ersten Zähne 4 und/oder der zweiten Zähne 5 und dienen zum Verbessern der Montagefähigkeit von Welle 3 und Nabe 2. Insbesondere erfolgt ein relatives Platzieren von Welle 2 und Nabe 3, ohne dass gleichzeitig die ersten Zähne 4 und die zweiten Zähne 5 miteinander verspannt werden müssen. Dies kann in einem nachfolgenden Schritt erfolgen, wenn eine zentrierte Positionierung erfolgt ist.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Maschinenkomponente 1. Der einzige Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist dabei, dass die ersten Zähne 4 die geradlinigen Flankenflächen 6 und die zweiten Zähne 5 die gekrümmten Flankenflächen 7 aufweisen. Somit lassen sich dieselben Effekte wie im ersten Ausführungsbeispiel erreichen.
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Die Auswölbungen 12 können an dem Zahnkopf 13 angebracht werden. Alternativ lassen sich die Auswölbungen 12 auch außerhalb der Zähne, das bedeutet, außerhalb der ersten Zähne 4 oder der zweiten Zähne 5, anbringen. So ist in 3 gezeigt, dass die Auswölbungen 12 an einem axialen Endbereich der Welle 2 angebracht sind. Somit erfolgt vorteilhafterweise zunächst ein Fügen der ersten Zähne 4 und der zweiten Zähne 5, wobei eine Montagekraft aufzubringen ist, um die ersten Zähne 4 und die zweiten Zähne 5 zu verspannen. Gleichzeitig mit dem Verspannen findet ein tangentiales Ausrichten von Welle 2 und Nabe 3 statt, so dass die Welle 2 und die Nabe 3 in Umfangsrichtung gegeneinander zentriert sind. Zum Ende des Fügevorgangs erfolgt das radiale Zentrieren mittels der Auswölbungen 12. Diese werden erst am Ende des Fügevorgangs zum Anliegen an die Nabe 3 gebracht, so dass eine zusätzliche Montagekraft, die zum Verspannen von Welle 2 und Nabe 3 an den Auswölbungen 12 aufzubringen ist, erst zum Ende des Fügeprozesses vorhanden ist. Somit ist der Fügeprozess vereinfacht.
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4 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer Maschinenkomponente 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. In dem dritten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass eine Unterbrechung 9 der ersten Zähne 4 vorhanden ist. Die Unterbrechung 9 wird dadurch gebildet, dass die ersten Zähne 4 an der entsprechenden Stelle vollständig ausgespart sind. Dadurch entstehen zwei Gruppen 11 von ersten Zähnen 4, wobei jede Gruppe in Umfangsrichtung umlaufende erste Zähne 4 aufweist. In axialer Richtung sind die beiden Gruppen 11 von ersten Zähnen 4 voneinander getrennt. Die zweiten Zähne 5 verbleiben in diesem Ausführungsbeispiel unverändert. Somit ist eine gesamte Kontaktfläche zwischen ersten Zähnen 4 und zweiten Zähnen 5 verringert, wodurch eine Montage der Nabe 3 und der Welle 2 vereinfacht ist. Durch Unterbrechungen 9 lassen sich somit optimale Einstellungen vornehmen, um ein gewünschtes Verhältnis zwischen Tragkraft und Montagefähigkeit zu erreichen. So wird durch größere Unterbrechungen 9 die Montagekraft verringert, während durch kleinere Unterbrechungen 9 eine Tragkraft vergrößert ist.
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5 zeigt schließlich ein Getriebe 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Getriebe 10 umfasst eine Maschinenkomponente 1, wobei die Maschinenkomponente 1 wie zuvor bereits beschrieben eine Welle 2 und eine Nabe 3 umfasst. Die Nabe 3 ist insbesondere ein Zahnrad 4.
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Um die Welle 2 und die Nabe 3 drehfest miteinander zu koppeln, erfolgt das zuvor beschriebene Verspannen der ersten Zähne 4 und der zweiten Zähne 5. In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei wiederum jeweils eine Unterbrechung 9 der ersten Zähne 4 und der zweiten Zähne 5 vorhanden.
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Durch die Unterbrechungen 9 sind verschiedene Gruppen 11 von ersten Zähnen 4 und zweiten Zähnen 5 vorhanden, wobei die Zähne jeder Gruppe 11 von ersten Zähnen 4 unterschiedliche Außendurchmesser aufweisen. Ebenso weisen die zweiten Zähne 5 unterschiedlicher Gruppen 11 unterschiedliche Außendurchmesser auf. Somit ist eine gestufte Welle 2 und eine gestufte Nabe 3 realisiert. Dadurch ist wiederum ein Fügen vereinfacht, da das Einstecken der Welle 2 in die Nabe 3 zunächst ohne ein Verspannen der ersten Zähne 4 und der zweiten Zähne 5 möglich ist, wobei diejenige Strecke, über die die ersten Zähne 4 und die zweite Zähne 5 zu verspannen sind, verringert ist. Wie zuvor beschrieben, kann durch die Abmessungen der ersten Zähne 4 und/oder der zweiten Zähne 5 in axialer Richtung erreicht werden, dass eine gewünschte Tragkraft realisiert ist. Die Tragkraft definiert wiederum das maximal übertragbare Drehmoment zwischen Nabe 3 und Welle 2. Gleichzeitig kann durch die Größe der Unterbrechung 9 eine Kraft variiert werden. Somit lässt sich für jeden Anwendungsfall ein Optimum zwischen Tragkraft und Montagekraft finden. In jedem Fall erfolgt eine spielfreie Verbindung zwischen Welle 2 und Nabe 3, wodurch Drehmoment spielfrei und verlustfrei übertragen werden kann. Dadurch ist eine Lebensdauer der Maschinenkomponente 1 und damit des Getriebes 10 erhöht. Insbesondere lassen sich Störungen wie Zahnflankenschläge, Störgeräusche, schlechte Tragbilder der Verzahnung, punktuelle Drehlastübertragungen oder die Erhöhungen von Lagerbelastungen der Welle 2 vermeiden.
