-
Die Erfindung betrifft ein Getriebe für einen Walzwerksantrieb, einen Walzwerksantrieb mit einem Getriebe sowie die Verwendung des Getriebes als Walzwerksgetriebe.
-
Eine Vielzahl von Antriebskomponenten in Walzwerken, insbesondere Antriebskomponenten von Walzwerken für metallene Flachprodukte werden ohne Änderung der Dreh- oder Lastrichtung betrieben. Es ist Stand der Technik, die Verzahnungen im Antriebsstrang von Walzwerken symmetrisch auszuführen. Die Symmetrie bezieht sich auf die Flankenwinkel der Zähne. Üblicherweise werden sowohl die lasttragende Flanke (Arbeitsflanke) als auch die unbelastete Flanke (Rückflanke) der Zahnräder mit einen Normaleingriffswinkel (an gleich 20°) ausgeführt.
-
Eine solche symmetrische Verzahnung bei Getrieben, die nur in einer Drehrichtung betrieben werden, ist mit dem Nachteil behaftet, dass jeweils immer die gleichen Arbeitsflanken der Zahnräder während einer Umdrehung belastet werden. Durch die jeweils einseitige Belastung nur einer Zahnflanke wird das vollständige Potenzial des Getriebes im Hinblick auf dessen Leistungsdichte nur unzureichend ausgenutzt.
-
Es ist grundsätzlich im Stand der Technik bekannt, Getriebe mit asymmetrischen Verzahnungen zu versehen. Das Prinzip der asymmetrischen Verzahnung beruht auf unterschiedlichen Flanken-Eingriffswinkeln jeweils eines Zahns der Verzahnung. Durch diese Maßnahme soll eine Steigerung der Tragfähigkeit und Laufruhe des Getriebes erzielt werden. Aufgrund einer gezielten Erhöhung des Eingriffswinkels der Zahnflanken auf der zugbeanspruchten Seite des Zahns werden die auf dieser Seite auftretenden Zahnfußspannungen und Hertz'schen Pressungen reduziert. Diese Kontaktspannung zwischen den miteinander in Eingriff befindlichen Zahnflanken ist abhängig von den Zahnkrümmungsradien der jeweiligen Zahnflanken.
-
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt Getriebe mit Evolventen Verzahnung auszubilden. Bei einer Evolventen Verzahnung verläuft die von den Zahnflanken aufeinander ausgeübte Kraft normal zum Zahnradprofil und tangential zu den Grundkreisdurchmessern beider Zahnräder durch den sogenannten Wälzpunkt. Bei Evolventen Verzahnungen wird zwischen Verzahnungen mit oder ohne Profilverschiebung unterschieden. Eine Evolventen-Stirnradverzahnung mit Profilverschiebung ist beispielsweise aus der
DE 24 46 172 OS bekannt. Diese Druckschrift beschreibt eine Evolventen-Stirnradverzahnung zwischen zwei miteinander in Eingriff stehenden Zahnrädern, wobei sich die Größe der Profilverschiebung über die Zahnbreite linear ändert. Dadurch soll insbesondere erreicht werden, dass die Zahnflanken der miteinander in Eingriff gelangenden Zähne nicht schlagartig, sondern allmählich belastet werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe für einen Walzwerksantrieb bereitzustellen, welches hinsichtlich Laufruhe und Tragfähigkeit gegenüber den Getrieben gemäß Stand der Technik verbessert ist. Insbesondere soll eine signifikante Steigerung der Tragfähigkeit des Getriebes erreicht werden. D. h., dass eine entsprechend hohe Festigkeit der Zahnräder bei einer entsprechend hohen Drehmomentübertragung erzielt werden soll.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen Walzwerksantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch die Verwendung des Getriebes gemäß Anspruch 8.
-
Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Getriebe für einen Walzwerksantrieb bereitgestellt, das wenigstens eine Evolventen-Stirnradverzahnung zwischen wenigstens zwei in Eingriff stehenden Zahnrädern mit einer asymmetrischen Verzahnung umfasst, wobei der Normaleingriffswinkel an der lasttragenden Zahnflanken der Zahnräder größer 20° und kleiner oder gleich 30° und der Normaleingriffswinkel an der Rückflanken der Zahnräder größer oder gleich 14° und kleiner als 22° ist. Die lasttragende Flanke der Zahnräder, die im Folgenden auch als Arbeitsflanke bezeichnet wird, ist diejenige Flanke, die an dem Zahn des treibenden Zahnrades in Drehrichtung voreilt und unter Zugbeanspruchung steht, wohingegen die Rückflanke das Zahns diejenige Flanke ist, die an dem treibenden Zahnrad in Drehrichtung des Zahnrades nacheilt und die unter Druckspannung steht. Bei dem getriebenen Zahnrad ist die lasttragende Flanke des Zahns diejenige Flanke, die mit der lasttragenden Flanke des Zahns des treibenden Zahnrades in Eingriff steht, also diesem zugewandt ist. Diese Zahnflanke steht bei Eingriff unter Zugspannung.
-
In einem Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e V. (FVA-Heft Nr. 2141 X Normberechnung asymmetrischen Verzahnung, veröffentlicht am 30.6.2015) wird ein Normberechnungsentwurf zur Geometrie und Tragfähigkeit von asymmetrischen Verzahnungen vorgestellt. In dem Forschungsvorhaben Nummer 484 III der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA-Heft Nummer 1126, veröffentlicht am 28. Februar 2015) wird eine Auslegungsmethodik für asymmetrische Stirnrad Verzahnungen vorgestellt, bei dem auf den Einfluss der Belastbarkeit von asymmetrischen Stirnrad-Verzahnungen zur Profilüberdeckung hingewiesen wird. Die Auslegungsempfehlung ist dahingehend, die Profilüberdeckung der asymmetrischen Verzahnung möglichst einer symmetrischen Referenzverzahnung anzupassen. In beiden Veröffentlichungen sowie auch in den dort genannten Literaturverweisen wird eine Steigerung der Tragfähigkeit aufgrund der Reduzierung der Zahnfußspannungen beschrieben. Diese Vorgehensweise ist allerdings mit dem Nachteil behaftet, dass für den numerischen Festigkeitsnachweis der einzelnen Parameterstudien lediglich auf die Vergleichsspannungen nach der Mises-Hypothese (GEH) zurückgegriffen wurde. Bei dieser Art der Vergleichsspannung gehen die Informationen der Wirkrichtung, der Spannungskomponenten und auch deren Vorzeichen (Zug- oder Druckspannung) verloren. Weitaus kritischer fällt der Aspekt einer rein statischen Belastung bei der dort beschriebenen Modellbetrachtung ins Gewicht. Anhand dieser statischen Betrachtungsweise kann zwar die betragsmäßig maximal auftretende Spannung ermittelt werden, nicht aber die Aufteilung der während des Eingriffszyklus der Zahnräder maximal auftretenden Spannungsamplitude und der Mittelspannung. Insbesondere die Spannungsamplitude hat einen maßgeblichen Einfluss auf die zyklische Biegebeanspruchung und somit auch auf die Bauteilfestigkeit.
-
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben besondere geometrische Einflussparameter definiert, die zur Optimierung eines asymmetrischen Verzahnungsprofils speziell für die Anwendung in Walzwerksgetrieben verwendet wurden. Die Zielwertbereiche des Optimierungsprofils sind durch folgende acht Ungleichungen definiert:
| 0,99 · εα (αn = 20°) < εα
Zug (αn
Zug , αn
Druck , hap
Zug ) < 1,05 · εα (αn = 20°) | Gl.1 |
| 0,3 · mn < san1 (αn
Zug , αn
Druck , hap
Zug ) ≤ 0,4 · mn) | Gl.2 |
| 0,3 · mn < san2 (αn
Zug , αn
Druck , hap
Zug ) ≤ 0,4 · mn) | Gl.3 |
| αn
Zug > αn
Druck | Gl.4 |
| 0,25 · mn ≤ c1 (αn
Zug , αn
Druck , hap
Zug , hfp
Zug ) | Gl.5 |
| 0,25 · mn ≤ c2 (αn
Zug , αn
Druck , hap
Zug , hfp
Zug ) | Gl.6 |
| dFf1 (αn
Zug ) < dNf1 (αn
Zug , αn
Druck , hap
Zug ) | Gl.7 |
| dFf2 (αn
Zug ) < dNf2 (αn
Zug , αn
Druck , hap
Zug ) | Gl.8 |
-
Wobei:
| εα (αn = 20°) | Profilüberdeckung für die symmetrische 20°-Referenzverzahnung |
| εα
Zug (αn
Zug , αn
Druck , hap
Zug ) | Profilüberdeckung im Lastflankeneingriff für die asymmetrische Verzahnung, als Funktion der Eingriffswinkel und des Kopfhöhenfaktors |
| αn
Zug | Normaleingriffswinkel der Lastflanke |
| αn
Druck | Normaleingriffswinkel der Rückflanke |
| hap
Zug | Kopfhöhenfaktor des Bezugsprofils |
| hfp
Zug | Fußhöhenfaktor des Bezugsprofils |
| mn | Normalmodul |
| c1 (αn
Zug , αn
Druck , hap
Zug , hfp
Zug ) | Kopfspiel am Rad 1, als Funktion der Eingriffswinkel, den Kopf- und Fußhöhenfaktoren |
| c2 (αn
Zug , αn
Druck , hap
Zug , hfp
Zug ) | Kopfspiel am Rad 2, als Funktion der Eingriffswinkel, den Kopf- und Fußhöhenfaktoren |
| dFf1 (αn
Zug ) | Fußformkreisdurchmesser am Rad 1, als Funktion des Eingriffswinkels |
| dFf2 (αn
Zug ) | Fußformkreisdurchmesser am Rad 2, als Funktion des Eingriffswinkels |
| dNf1 (αn
Zug , αn
Druck , hap
Zug ) | Fußnutzkreisdurchmesser am Rad 1, als Funktion der Eingriffswinkel und des Kopfhöhenfaktors |
| dNf2 (αn
Zug , αn
Druck , hap
Zug ) | Fußnutzkreisdurchmesser am Rad 2, als Funktion der Eingriffswinkel und des Kopfhöhenfaktors |
-
Die Zielbereiche stellen die Einhaltung der Profilüberdeckung, die Einhaltung der minimalen Zahnkopfdicke und die Einhaltung des minimalen Kopfspiels sicher. Des Weiteren wird die Einhaltung des asymmetrischen Zahnprofils gefordert und die Erzeugung von Eingriffsstörungen ausgeschlossen. Durch diese Vorgaben wird das asymmetrische Zahnprofil optimal an die Belastungssituation in kontinuierlich betriebenen Walzwerksantriebssträngen angepasst.
-
Daraus ergibt sich erfindungsgemäß ein optimales asymmetrisches Zahnprofil, wenn der Normaleingriffswinkel der lasttragenden Zahnflanken der Zahnräder größer 20° und kleiner oder gleich 30° und der Normaleingriffswinkel der Rückflanken der Zahnräder größer oder gleich 14° und kleiner als 22°, bevorzugt größer oder gleich 14° und kleiner als 20° ist.
-
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Getriebes gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zahnlückenprofil eine elliptische Zahnfußrundung aufweisen. Durch einen elliptischen Übergang zwischen den Evolventen der Zahnflanken und dem Zahnfußbereich ergibt sich eine weitere signifikante Steigerung der Zahnfußtragfähigkeit.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des Getriebes gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Normaleingriffswinkel an der lasttragenden Zahnflanken zwischen 25° und 28° und der Normaleingriffswinkel an der Rückflanken zwischen 18° und 22° beträgt.
-
Es ist weiterhin vorteilhaft und zweckmäßig, wenn der Kopfhöhenfaktor des Bezugsprofils der lasttragenden Zahnflanken der Zahnräder zwischen 1 und 1,2 beträgt. Der Kopfhöhenfaktor des Bezugsprofils ergibt als Faktor des Normalmoduls die Zahnkopfhöhe in Millimetern.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des Getriebes der Erfindung beträgt der Fußhöhenfaktor des Bezugsprofils der Zahnräder zwischen 1,2 und 1,4. Der Fußhöhenfaktor des Bezugsprofils ergibt multipliziert mit dem Normalmodul der Verzahnung die Höhe des Zahnfußes in Millimetern.
-
Zweckmäßigerweise beträgt das Normalmodul der Zahnräder zwischen 16 und 40 mm.
-
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft einen Walzwerksantrieb mit einem Getriebe mit wenigstens einem der vorstehend beschriebenen Merkmale. Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung eines Getriebes mit einem oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Merkmale als Walzwerksgetriebe.
-
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
-
Es zeigen:
- 1a eine schematische Darstellung der Zahnprofilformen einer symmetrischen und einer asymmetrischen Verzahnung,
- 1b eine schematische Darstellung des Beanspruchungsverhaltens ineinandergreifender Zähne einer asymmetrischen Verzahnung, wobei in der oberen Darstellung die Zugbeanspruchung an der Stelle A des Zahns 2 und in der unteren Darstellung die Druckbeanspruchung an der gleichen Stelle A dargestellt ist,
- 1c die Unterschiede zwischen der Zahnbeanspruchung gemäß bekannter theoretischer Berechnungsgrundlagen und das tatsächliche Beanspruchungsverhalten gemäß von den Erfindern dieser Anmeldung durchgeführter eigener Untersuchungen, gegenüberstellt,
- 2 eine schematische Darstellung einer Evolventen-Stirnradverzahnung zwischen zwei in Eingriff miteinander stehenden Zahnrädern eines Getriebes eines Walzwerksantriebs,
- 3 eine schematische Darstellung zweier in Eingriff stehender Zahnräder einer asymmetrischen Evolventen-Stirnradverzahnung gemäß der Erfindung und
- 4 eine schematische Darstellung der elliptischen Zahnfußrundung der lasttragenden Zahnflanke eines Zahnprofils gemäß der Erfindung.
-
1a zeigt schematisch das Profil eines einzelnen Zahns 2 eines Zahnrades 3 wobei die linke Darstellung in 1a ein symmetrisches Zahnprofil und die rechte Darstellung in 1a ein asymmetrisches Zahnprofil zeigt. Die jeweils linke Verzahnungsflanke wird im Folgenden als Rückflanke 4 bezeichnet, die rechte Verzahnungsflanke hingegen als lasttragende Zahnflanke 5.
-
Eine Analyse des in dem Forschungsvorhaben Nummer 2141 X vorgestellten Normberechnungsentwurfs zur Geometrie und Tragfähigkeit von asymmetrischen Verzahnungen durch die Erfinder hat ergeben, dass die bisher bekannten Forschungsergebnisse das tatsächliche Beanspruchungsverhalten der Zahnflanken nicht hinreichend wiedergeben. Eine entsprechende Gegenüberstellung ist in den 1b und 1c gezeigt. Beide Darstellungen veranschaulichen miteinander in Eingriff befindliche Zahnräder 3 und in dünnen Linien den Spannungsverlauf der miteinander in Eingriff befindlichen Verzahnungsflanken der Zähne 1, 2. Betrachtet wird in der oberen Darstellung die Zugbeanspruchung des Zahns 2 an der Stelle A, wohingegen in der unteren Darstellung die Druckbeanspruchung des Zahns an der Stelle A betrachtet wird.
-
In 1c zeigt der linke Graph den theoretischen Beanspruchungsverlauf, der sich aus dem Normberechnungsentwurf gemäß Forschungsvorhaben ergibt, wohingegen der rechte Graph die Vergleichsspannung nach der Mises Hypothese und das tatsächlich ermittelte Beanspruchungsverhalten der Zahnflanken einander gegenüberstellt. Das tatsächliche Beanspruchungsverhalten ist mit dem helleren Graphen dargestellt. Das Maximum der Druckspannung an der Stelle A gemäß unterer Darstellung in 1b und das Maximum der Zugbeanspruchung an der Stelle A gemäß oberer Darstellung 1b entsprechen den tatsächlich auftretenden Beanspruchungen gemäß den der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen. Daraus ergibt sich, dass die ausschließliche Betrachtung des Maximums der Mises Spannung (linker Graph in 1c) kein ausreichendes Kriterium zur Festigkeitsbewertung ist. Der Richtungseinfluss und die Wirkung der Spannung (Zug/Druck) sowie das instationäre Verhalten über den Zahneingriff ist zu berücksichtigen. Bei kleinen Zahnlücken, d. h. bei extremen Eingriffswinkelkombinationen sind Koppelungseinflüsse der Nachbarzähne über den Zahneingriff zu beobachten, die die Doppelamplitude der Zahnfußspannungen erhöhen und somit die Tragfähigkeit reduzieren.
-
3 zeigt eine erfindungsgemäß optimierte Evolventen-Stirnradverzahnung zweier miteinander in Eingriff stehender Zahnräder 3, wobei das in 3 oben dargestellte Zahnrad 3 das treibende Zahnrad ist und dass in 3 unten dargestellte Zahnrad das getriebene Zahnrad ist. Der Normaleingriffswinkel an der lasttragenden Zahnflanken 5 des treibenden Zahnrades beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 26°, wohingegen der Normaleingriffswinkel an der Rückflanke 4 dieses Zahnrades 18° beträgt. Erfindungsgemäß hat sich eine solche Geometrie u.a. an einer asymmetrischen Evolventen-Stirnradverzahnung eines Getriebes 6 für einen Walzwerksantrieb als besonders vorteilhaft erwiesen. Ein solches Getriebe 6 als Großgetriebe mit einem Normalmodul m zwischen 16 und 40 mm ist in 2 dargestellt. Mit dem erfindungsgemäßen Zahnprofil lässt sich eine Drehmomentsteigerung von wenigstens 12 % erreichen.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Zahnfußrundung 7 ist in 4 dargestellt. Hierdurch lässt sich eine weitere Steigerung der Zahnfußtragfähigkeit erzielen. Wie dies in gestrichelten Linien angedeutet ist, ist erfindungsgemäß das Zahnprofil mit einem elliptischen Übergang zwischen der Evolvente und dem Zahnfußbereich versehen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1, 2
- Zähne
- 3
- Zahnrad
- 4
- Rückflanke
- 5
- lasttragende Zahnflanke
- 6
- Getriebe
- 7
- Zahnfußrundung
-
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
-
