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Die Erfindung betrifft eine Well-Nabeverbindung mit einer Verzahnung gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Welle-Nabeverbindungen mit Verzahnungen als solche sind aus dem Stand der Technik bekannt, insbesondere aus der
DE 198 36 259 A1 und aus der
DIN 5480.
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Aufgrund des Herstellvorgangs beim Erzeugen einer Evolventenverzahnung mit Zahnstangen- oder zahnstangenähnlichem Werkzeugen werden die Zähne, welche Kräfte zwischen einem Wellen- und einem Nabenbauteil übertragen, symmetrisch ausgeführt, dies gilt sowohl für die Makroeigenschaften dieser Verzahnung, insbesondere die Zahngeometrie, wie auch für die Mikroeigenschaften, insbesondere die Oberflächenbeschaffenheit der Zahngeometrie. Weiter treten häufig Fälle auf, bei welchen in unterschiedliche Drehrichtungen unterschiedliche Belastungen für die Verbindung auftreten, eine symmetrisch gestaltete Verzahnung wird für beide Drehrichtungen auf den kritischen Belastungsfall ausgelegt und ist somit in der Regel für die weniger kritische Drehrichtung überdimensioniert. Eine Überdimensionierung eines Bauteils ist im Allgemeinen nachteilig, da schon bei der Herstellung höhere Kosten und ein höherer Resourcenbedarf auftreten als notwendig wäre, weiter kann es im Betriebe eines Antriebssystems, welches dieses überdimensionierte Bauteil aufweist, zu einem erhöhten Energiebedarf kommen.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, eine Welle-Nabeverbindung anzugeben, welche belastungsgerecht gestaltet ist. Diese Aufgabe wir durch eine Welle-Nabeverbindung gemäß dem ersten Patentanspruch gelöst, zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Im Sinne der Erfindung ist unter einer Welle-Nabeverbindung eine Verbindung zu verstehen, welche ein Wellenbauteil mit einer Wellenverzahnung und ein Nabenbauteil mit einer Nabenverzahnung zum Ausbilden einer formschlüssigen Verbindung aufweist. Derartige Verbindungen als solche sind aus dem Stand der Technik bekannt, insbesondere solche, bei denen Verzahnung des Wellenbauteils, beziehungsweise des Nabenbauteils, eine sogenannte Evolventenverzahnung ist. Die Nabenverzahnung ist insbesondere die konjugierte Verzahnung zu der Wellenverzahnung, so dass die oben genannte formschlüssige Verbindung durch eine Vielzahl von sich berührenden Zahnflanken, einerseits des Wellenbauteils und andererseits des Nabenbauteils, gebildet ist.
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Vorzugsweise weist die Wellenverzahnung eine Vielzahl von Zähnen, sogenannten Wellenzähnen, auf. Zur Vereinfachung ist die Erfindung nachfolgend häufig anhand eines Wellenzahns im Zusammenspiel mit einer Zahnlücke im Nabenbauteil, sogenannte Nabenzahnlücke, beschrieben. Der Wellenzahn greift demnach zum Übertragen von Antriebskräften in die Nabenzahnlücke formschlüssig ein. An einer real ausgeführten Welle-Nabeverbindung gemäß der Erfindung, greift eine Vielzahl von Wellenzähnen in eine Vielzahl von Nabenzahnlücken, wobei vorzugsweise die Anzahl der Wellenzähne der Anzahl der Nabenzahnlücken entspricht, zum Ausbilden der formschlüssigen Verbindung ein.
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Vorzugsweise weisen die Wellenzähne eine Evolventenzahnform auf. Evolventenverzahnungen sind die mit Abstand am meisten verbreitete Art von Verzahnungen für Zahnräder und demnach aus dem Stand der Technik gut bekannt. Die vorgeschlagenen Welle-Nabeverbindung ist derart ausgebildet, dass eine Antriebskraft von dem Wellenbauteil auf das Nabenbauteil in einer ersten Drehrichtung mit einer ersten Zahnflanke wenigstens eines der Wellenzähne und vorzugsweise einer Vielzahl von Wellenzähnen übertragbar ist und wobei eine Antriebskraft von dem Wellenbauteil auf das Nabenbauteil in einer zweiten Drehrichtung, welche entgegengesetzt der ersten Drehrichtung ist, mit einer zweiten Zahnflanke des gleichen Wellenzahns übertragbar ist. Bildlich betrachtet ist die zweite Zahnflanke auf der gegenüberliegenden Seite des Wellenzahns angeordnet ist, auf welchem auch die erste Zahnflanke angeordnet ist.
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Dabei weist die erste Zahnflanke dieses Wellenzahns einen ersten Eingriffswinkel auf, beziehungsweise weist das Werkzeug zum Herstellen dieser ersten Zahnflanke einen ersten Herstelleingriffswinkel auf, welcher sich über den Herstellvorgang, auf der ersten Zahnflanke abbildet. Und weiter weist die zweite Zahnflanke einen zweiten Eingriffswinkel auf, beziehungsweise weist das Werkzeug zum Herstellen dieser zweiten Zahnflanke einen zweiten Herstelleingriffswinkel auf, welcher sich über den Herstellvorgang auf der zweiten Zahnflanke abbildet. Wie vorgeschlagen weicht der erste Eingriffswinkel von dem zweiten Eingriffswinkel ab, insbesondere weicht der erste Herstelleingriffswinkel vom zweiten Herstelleingriffswinkel ab, und insbesondere durch diese Winkelabweichung ist eine beanspruchungsgerechte Gestaltung der Welle-Nabeverbindung ermöglicht. Wie dargelegt weist auch das Nabenbauteile und die Nabenzahnlücken Zahnflanken auf, welche an die erste und die zweite Zahnflanke des Wellenzahns, beziehungsweise der Wellenzähne, angepasst ist. Insbesondere durch die belastungsgerechte Gestaltung der Welle-Nabeverbindung für Verbindungen, welche in unterschiedlichen Drehrichtungen unterschiedliche Belastungen unterworfen ist, ist eine leichtere und damit effizientere Welle-Nabeverbindung darstellbar.
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In einer bevorzugt Ausführungsform der Welle-Nabeverbindung ist der erste und der zweite Eingriffswinkel, welcher im Stand der Technik in der Regel mit dem Formelzeichen α mit entsprechenden Indices bezeichnet ist, aus einem Bereich ausgewählt, welcher größer oder gleich 10° ist und welcher kleiner oder gleich 50° ist.
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In einer bevorzugt Ausführungsform der Erfindung weisen die erste und die zweite Zahnflanke aufgrund ihrer Herstellung eine unterschiedliche Härte auf. Vorzugsweise ist die Härte der Oberfläche der ersten Zahnflanke gemessen in Rockwelle (HRC) um 10% oder mehr, höher als die Härte der Oberfläche der zweiten Zahnflanke. Vorzugsweise ist die Oberfläche der ersten Zahnflanke gehärtet, vorzugsweise nitriert, bevorzugt einsatzgehärtet und besonders bevorzugt induktionsgehärtet. Insbesondere die Oberflächenhärte ist ein Einflussfaktor für die Tragfähigkeit und Belastbarkeit einer Welle-Nabeverbindung und insbesondere durch unterschiedliche Härten der beiden Zahnflanken des gleichen Wellenzahns ist eine weitere Anpassung an die Belastung in den unterschiedlichen Drehrichtungen ermöglicht.
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In einer bevorzugt Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche der ersten Zahnflanke mit einem Herstellverfahren erzeugt, welches von dem Herstellverfahren für die Oberfläche der zweiten Zahnflanke abweicht. Insbesondere ist darunter zu verstehen, dass die eine Zahnflanke wälzgefräst und die andere Zahnflanke geschliffen ist, wobei der letzte spanabhebende Bearbeitungsschritt das Herstellverfahren für die Zahnflanke definiert. Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl unterschiedler Herstellverfahren, insbesondere für Zahnräder bekannt, wobei Untersuchungen zeigen, dass unterschiedliche Herstellverfahren zu unterschiedlichen Tragfähigkeiten führen können. Insbesondere mittels Zahnflanken, welche mittels unterschiedlichen Herstellverfahren hergestellt sind, ist eine weiter belastungsgerechte Gestaltung der Welle-Nabeverbindung ermöglicht.
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Nachfolgend ist die Erfindung sowie einzelne Merkmale dieser anhand der Figuren näher erläutert, dabei zeigt Fig.:
- 1: Teilschnittdarstellungen eines bekannten Herstellwerkzeugs und eines Herstellwerkzeugs zum Herstellen einer Verzahnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
- 2: eine Teilschnittdarstellung einer Ausführungsform einer Welle-Nabeverbindung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Aus dem Stand der Technik 1a ist es bekannt ein Herstellwerkzeug, vorliegend ist ein Teilschnitt eines herkömmlichen Zahnstangenwerkzeugs 5 gezeigt, zum Erzeugen einer Verzahnung für eine Welle-Nabeverbindung zu verwenden. Dieses herkömmliche Herstellwerkzeug 5 weist ein Zahnprofil mit zwei Herstelleingriffswinkeln 1, 2 auf, wobei diese beiden Herstelleingriffswinkel 1, 2 gleich groß sind und sich beim Herstellen der Verzahnung für die Welle-Nabeverbindung im Werkstück abbilden und dabei zu gleichen Eingriffswinkeln führen.
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In 1b ist ein Herstellwerkzeug zum Erzeugen einer Verzahnung für eine Welle-Nabeverbindung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Teilschnitt dargestellt, das dargestellte Herstellwerkzeug ist ein unsymmetrisches Zahnstangenwerkzeug 6. Wie das herkömmliche Zahnstangenwerkzeug 5 weist das unsymmetrische Zahnstangenwerkzeug 6 zwei Herstelleingriffswinkel 3, 4 auf, wobei diese Herstelleingriffswinkel 3, 4 unterschiedlich groß sind. Beim Herstellen einer Verzahnung für eine Ausführungsform einer Welle-Nabeverbindung gemäß der Erfindung, bilden sich diese unterschiedlichen Herstelleingriffswinkel 3, 4 in dem Werkstück in einer Verzahnung mit unterschiedlichen Eingriffswinkeln ab.
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In 2 ist exemplarisch eine Teilschnittdarstellung einer Welle-Nabeverbindung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei greift ein Wellenzahn 12 in einen Nabenzahnlücke 13 ein. Da dieser Wellenzahn 12 mit einem unsymmetrischen Herstellwerkzeug, wie dieses in 1b dargestellt ist, hergestellt ist, weist der Wellenzahn unterschiedliche Eingriffswinkel auf. Der Wellenzahn 12 ist Teil eines Wellenbauteils 7, welches umlaufende im Bereich 12 eine Vielzahl solcher Wellenzähne 12 aufweist. Die Nabenzahnlücke 13 ist Nabenbauteil 8 angeordnet, das Nabenbauteil 8 weist die gleiche Anzahl an Nabenzahnlücken 13 auf, wie das Wellenbauteil Wellenzähne 12 aufweist.
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Treten in den unterschiedlichen Drehrichtungen 10, 11, um welche das Wellenbauteil 7 um dessen Mittelachse 9 rotierbar ist, unterschiedliche Belastungen auf, so kann die Welle-Nabeverbindung mit Hilfe unterschiedlicher Eingriffswinkeln an diese unterschiedlichen Belastungen angepasst werden. Zur Anpassung an drehrichtungsabhängige Belastungen, weist der Wellenzahn 12 ein erste Zahnflanke 14 mit einem Eingriffswinkel auf, welcher von dem Eingriffswinkel der zweiten Zahnflanke 15 des gleichen Wellenzahns 12, unterschiedlich ist.
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Die Nabenzahnlücke 13 ist im Wesentlichen das negative Abbild des Wellenzahns 12. Je nach Ausgestaltung und Anforderung an die Welle-Nabeverbindung kann diese Durchmesserzentriert (kopf-, fußzentriert) oder flankenzentriert sein, wobei in 2 eine flankenzentrierte Variante einer Welle-Nabeverbindung dargestellt ist.
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Mit anderen Worten ausgedrückt ergibt sich bei bekannten Welle-Nabeverbindungen das Problem, dass die Verzahnung einer solchen bekannten Verbindung symmetrisch (sowohl Geometrie als auch Oberflächen- und Stoffeigenschaften (Schleifen und Härten)) hergestellt ist. Im Gegensatz zur symmetrischen Gestaltung, insbesondere in Bezug auf den Eingriffswinkel, ist die Belastung in vielen Anwendungsfällen nicht symmetrisch. Weiter tritt zu der unsymmetrischen Beanspruchung der Welle-Nabeverbindung hinzu, dass für verschiedenen Schadensbilder, insbesondere Pittings (häufig auch als Grübchen bezeichnet) und Zahnfussbruch, unterschiedliche Eingriffswinkel bei der Herstellung und damit auch bei der hergestellten Zahnflanke, von Vorteil sind. Allgemein gilt der Zusammenhang, ein großer Herstelleingriffswinkel (Herstelleingriffswinkel bildet sich auf der Verzahnung über den Herstellvorgang ab) ist gut gegen Zahnfussbruch, ein kleiner Herstelleingriffswinkel ist gut gegen Pittings.
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Aus der bekannten symmetrischen Gestaltung ergibt sich das Problem, dass diese Gestaltung nicht beanspruchungsgerecht ausgeführt ist und somit derartige Verbindungen zu groß und zu schwer ausgeführt werden.
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Um gewichts- und kostengünstigere Welle-Nabeverbindungen darstellen zu können, schlägt die Erfindung daher vor, dass bei der Herstellung ein Herstellwerkzeug beziehungsweise ein Herstellverfahren mit unterschiedlichem Herstelleingriffswinkel für die Herstellung der ersten und der zweiten Zahnflanke des gleichen Wellenzahns Anwendung findet, so dass ein Wellenzahn unterschiedliche große Eingriffswinkel für die erste und die zweite Zahnflanke aufweist. Mit dieser Erfindung ist es ermöglicht, dass die erste Zahnflanke, welche hauptsächlich zur Leistungsübertragung vorgesehen ist, mit kleinerem Herstelleingriffswinkel hergestellt ist, als die zweite Zahnflanken, die dazu vorgesehen ist nur gelegentlich beziehungsweise geringere Leistungen als die erste Zahnflanke zu übertragen. Zusätzlich kann zur weiteren Tragfähigkeitssteigerung der ersten Zahnflanke die Oberfläche dieser durch Schleifen erzeugt sein, während die Oberfläche der zweiten Zahnflanke eine gefräste Oberfläche aufweist. Eine weitere Steigerung der Tragfähigkeit der ersten Zahnflanke ist erreichbar, wenn diese gehärtet ist, die zweite Zahnflanke kann auch gehärtete sein oder bzgl. der Oberflächenhärte im unbehandelten Zustand belassen, je nach Beanspruchungsunterschied zwischen ersten und zweiten Zahnflanke.
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Es wird nochmals darauf verwiesen, dass die Erfindung vorliegend anhand der Zahnflanken (erste zweite Zahnflanke) eines einzelnen Wellenzahns erläutert ist, dass sich diese aber auf eine Vielzahl und besonders bevorzugt auf sämtliche Wellenzähne des Wellenbauteils und damit auch auf die Nabenzahnlücken des Nabenbauteils bezieht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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