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Vorliegende Erfindung betrifft eine Getriebeanordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Getriebeanordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
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Getriebeanordnungen, wie beispielsweise Hochpräzisionsgetriebeanordnungen wie Planetengetriebe, können verschiedene kraftübertragende Elemente aufweisen. Bei diesen kann es sich um Zahnräder, wie z.B. Planeten, handeln. Um ein Drehmoment von einem kraftübertragenden Element auf ein anderes zu übertragen, können diese miteinander verbunden werden, wie es z.B. bei den Planeten eines Doppelplaneten der Falls ist. Die Verbindung von einem ersten und einem zweiten kraftübertragenden Element in einer solchen Getriebeanordnung muss so ausgestaltet sein, dass ein hohes Drehmoment übertragen werden kann, aber gleichzeitig die kraftübertragenden Elemente nicht negativ beeinflusst werden.
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Ein solches hohes Drehmoment kann beispielsweise zu hohen Umfangsspannungen und damit zu Rissen in den kraftübertragenden Elementen, insbesondere in Zahnfüßen von Zahnrädern, führen. Des Weiteren muss zur selben Zeit eine solche Verbindung von zwei kraftübertragenden Elementen sehr steif in der Torsionsrichtung sein, um in einem Hochpräzisionsgetriebe verwendet werden zu können. Bislang verwendete Verbindungen von zwei kraftübertragenden Elementen in eine Getriebeanordnung sind so ausgestaltet, dass dadurch entweder die kraftübertragenden Elemente sehr kostenintensiv werden, z.B. aufgrund des verwendeten Materials, oder der Durchmesser der kraftübertragenden Elemente muss für eine solche Verbindung erhöht werden, wodurch mehr Platz in der Getriebeanordnung benötigt wird und diese dadurch größer wird.
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Solche Verbindungen zwischen kraftübertragenden Elementen können durch eine radiale Presspassung, Verschweißen etc. hergestellt werden. Die bekannten Verbindungen haben jedoch einige Nachteile. So ist beispielsweise Verschweißen kostenintensiv und hat einen thermischen Einfluss auf die Elemente, was zu einer Veränderung der Materialeigenschaften führen kann. Eine Presspassung über die radiale Fläche erfordert für hohe Drehmomente einen großen Durchmesser der kraftübertragenden Elemente, wobei zur selben Zeit Grenzen in den Umfangsspannungen an dem Außendurchmesser eines Nabenteils der Getriebeanordnung berücksichtigt werden müssen, was wiederum zu einer geringeren Steifigkeit in der Rotationsrichtung führt. Eine Presspassung über die axiale Fläche, d.h. als Bolzen-Flansch-Verbindung, erfordert wiederum einen großen Durchmesser für Bolzen. Keilverbindungen über die radiale oder axiale Fläche sind kostenintensiv und erlauben keine relative Bewegung zwischen den verbundenen Teilen während des Zusammenbaus. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die kraftübertragenden Elemente zu verkleben, was jedoch nur eine geringe Stärke der Verbindung bereitstellt.
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Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Verbindung zwischen kraftübertragenden Elementen einer Getriebeanordnung bereitzustellen, durch die eine sichere und stabile Kopplung der Elemente sichergestellt werden kann, die für hohe Drehmomente geeignet ist und gleichzeitig kostengünstig herzustellen ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Getriebeanordnung gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Getriebeanordnung gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
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Die Getriebeanordnung weist zumindest ein erstes und ein zweites kraftübertragendes Element auf, die koaxial auf einer Welle angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, ein Drehmoment zu übertragen. Bei der Getriebeanordnung kann es sich insbesondere um ein Hochpräzisionsgetriebe handeln. Das erste und das zweite kraftübertragende Element können jede Art von kraftübertragenden Element sein, die auf einer Welle koaxial angeordnet sind, wie z.B. Zahnräder. Beispielsweise kann es sich bei den kraftübertragenden Elementen um die beiden Planeten eines Doppelplaneten in einem Planetengetriebe handeln.
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Das erste und das zweite kraftübertragende Element weisen jeweils eine innere Umfangsfläche auf. Das zweite kraftübertragende Element ist mit der inneren Umfangsfläche auf die Welle aufgeschoben und ist mit der Welle über eine radiale Passung gekoppelt.
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Das erste kraftübertragende Element kann getrennt von der Welle ausgebildet sein und, wie das zweite kraftübertragende Element, mit einer inneren Umfangsfläche auf die Welle aufgeschoben und mit dieser über eine radiale Passung gekoppelt sein. Alternativ kann das erste kraftübertragende Element integral mit der Welle ausgebildet sein. In diesem Fall wird das zweite kraftübertragende Element also beim Aufschieben auf die Welle auch auf das erste kraftübertragende Element aufgeschoben. Ist das erste kraftübertragende Element integral mit der Welle ausgebildet, kann die Welle als Pilzwelle oder Glockenwelle ausgestaltet sein.
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Die radiale Passung kann als Presspassung ausgeführt sein, die beispielsweise durch ein Übermaß zwischen den inneren Umfangsflächen des ersten und/oder des zweiten kraftübertragenden Elements mit der Welle erreicht wird. Alternativ kann die radiale Passung auch als Spielpassung ausgeführt sein. In diesem Fall können das erste und/oder das zweite kraftübertragende Element an der Welle durch einen Stoffschluss, beispielsweise durch Verwendung von Klebstoff oder ähnlichem, befestigt werden.
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Um eine besonders stabile Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten kraftübertragenden Element herzustellen, die ein hohes Drehmoment übertragen kann, wird zusätzlich das erste kraftübertragende Element mit dem zweiten kraftübertragenden Element an einer jeweiligen, in axialer Richtung aneinandergrenzenden Anlagefläche über einen axialen Reibschluss gekoppelt. Das bedeutet, dass die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten kraftübertragenden Element sowohl über eine radiale Passung mit der Welle als auch über einen axialen Reibschluss miteinander hergestellt wird. Diese Verbindung ist dazu geeignet, ein Drehmoment über die die axiale Fläche zwischen den beiden kraftübertragenden Elementen, und je nach Ausbildung der radialen Passung, auch über die radiale Fläche mit der Welle zu übertragen. Insbesondere bei einer Übertragung des Drehmoments sowohl über die radiale Fläche mit der Welle als auch die axiale Fläche zwischen den beiden kraftübertragenden Elementen werden zwei Belastungspfade, d.h. ein axialer und ein radialer Belastungspfad, erzeugt, die die einzelnen Elemente nicht überlasten, und z.B. keine zu hohen Umfangsspannungen in der radialen Verbindung erzeugen.
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Das erste und das zweite kraftübertragende Element können des Weiteren über ein Befestigungselement miteinander verbunden sein. Das Befestigungselement kann beispielsweise ein Anschlagring, eine Mutter, eine Nutmutter, ein Bolzen, eine Bördelung oder ähnliches oder eine Kombination davon sein, die dazu geeignet sind, das erste und das zweite kraftübertragende Element aneinander zu befestigen.
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Die in axialer Richtung aneinandergrenzenden Anlageflächen des ersten und des zweiten kraftübertragenden Elements, die über einen axialen Reibschluss gekoppelt sind, übertragen ein Drehmoment und erlauben es, dass die Torsionssteifigkeit entweder nur durch die radiale innere Umfangsfläche oder nur durch die axialen Anlageflächen bestimmt wird oder dass die Torsionssteifigkeit sowohl durch die radiale innere Umfangsfläche als auch die axialen Anlageflächen bestimmt wird. Vorzugsweise kann hier ein Durchmesser der kraftübertragenden Elemente gewählt werden, der ein großes Drehmoment übertragen kann.
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Da die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten kraftübertragenden Element untereinander sowie mit der Welle ohne Wärme erzeugt wird, d. h. nicht durch Schweißen oder ähnliches, sondern durch Passung und Reibschluss, werden damit die Materialeigenschaften der einzelnen Elemente nicht negativ beeinträchtigt. Des Weiteren kann die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten kraftübertragenden Element sowie mit der Welle während des Zusammenbaus allein durch das Positionieren der Elemente zueinander und das Montieren von diesen erzeugt werden, ohne dass die Elemente der Getriebeanordnung noch zu einer anderen Verarbeitungsvorrichtung, wie einer Schweißstation oder ähnlichem, weitergeleitet werden müssen. Somit kann die Herstellung der Getriebeanordnung vereinfacht werden und ist kostengünstiger im Vergleich zu bisherigen Getriebeanordnungen.
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Um die Verbindung zwischen den einzelnen Teilen zu verbessern, und insbesondere um die Lastkapazität der kraftübertragenden Flächen, d. h. der inneren Umfangsflächen und der Anlageflächen, zu erhöhen, können diese mit reibungserhöhenden Mitteln versehen sein. Die reibungserhöhenden Mittel können insbesondere irgendwelche Oberflächenbehandlungen sein, die den Reibungskoeffizienten erhöhen. Solche reibungserhöhenden Mittel können beispielsweise eine reibungserhöhende Schicht, z.B. eine Klebeschicht oder eine Zinkschicht, oder reibungserhöhende Partikel, z.B. Partikel, die eine höhere Härte aufweisen als das Material der kraftübertragenden Elemente, oder eine Kombination davon aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die innere Umfangsfläche des ersten und/oder des zweiten kraftübertragenden Elements konische Flächen. In diesem Fall kann die korrespondierende Fläche der Welle, die entweder als separates Element oder als integrales Element des ersten kraftübertragenden Elements vorgesehen ist, ebenfalls konisch sein. Solche konischen Flächen vereinfachen insbesondere das Aufschieben des jeweiligen kraftübertragenden Elements auf die Welle, insbesondere im Fall einer Presspassung.
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Alternativ können die inneren Umfangsflächen des ersten und/oder des zweiten kraftübertragenden Elements zylindrische Flächen sein. Des Weiteren ist auch eine Kombination von konischen Flächen und zylindrischen Flächen möglich, wobei die innere Umfangsfläche des ersten kraftübertragenden Elements eine konische Fläche und die innere Umfangsfläche des zweiten kraftübertragenden Elements eine zylindrische Fläche sein kann oder umgekehrt.
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Eine zylindrische Fläche erlaubt es zudem, die radiale Passung als Übergangs- oder Spielpassung auszuführen, sodass der Anteil der Kraft- bzw. Momentenübertragung graduell bis zu 100% auf den axialen Reibschluss übertragen werden kann. Eine solche Spielpassung kann durch einen Klebstoff fixiert werden.
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Um den axialen Reibschluss zwischen dem ersten und dem zweiten kraftübertragenden Element auch im Betrieb sicherzustellen, kann ein kraftausübendes Mittel vorgesehen sein, das dazu ausgebildet ist, das erste und/oder das zweite kraftübertragende Element mit einer axialen Kraft zu beaufschlagen, die axial in Richtung der Anlageflächen zwischen dem ersten und dem zweiten kraftübertragenden Element wirkt. Diese Kraft dient dazu, den Reibschluss zwischen dem ersten und dem zweiten kraftübertragenden Element herzustellen. Das kraftausübende Element kann gleichzeitig als Befestigungsmittel dienen, wie es oben beschrieben ist, um die axiale Kraft aufrechtzuerhalten. Das kraftausübende Mittel kann irgendeine Art von Mittel sein, das dazu dient, die Kraft auszuüben und/oder aufrechtzuerhalten. Beispielsweise kann das kraftausübende Mittel ein Anschlagring, eine Mutter, eine Nutmutter, ein Bolzen oder ähnliches oder eine Kombination davon sein. Des Weiteren ist es auch möglich, zunächst eine Kraft auf die beiden kraftübertragenden Elemente auszuüben und anschließend die beiden kraftübertragenden Elemente miteinander in diesem Zustand mittels Bördeln oder ähnlichem zu verbinden, wobei in diesem Fall das kraftausübende Mittel die Bördelung ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen einer Getriebeanordnung, wie sie oben beschrieben ist, vorgeschlagen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Aufbringen des ersten und des zweiten kraftübertragenden Elements auf die Welle, insbesondere durch Ausüben einer axialen Kraft in Richtung der axialen Anlageflächen, Zusammenfügen des ersten und des zweiten kraftübertragenden Elements mit der Welle durch radiale Passung, und reibschlüssiges Verbinden des ersten kraftübertragenden Elements mit dem zweiten kraftübertragenden Element an den Anlageflächen über einen axialen Reibschluss.
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Die axiale Kraft kann sowohl zum Zusammenfügen des ersten und des zweiten kraftübertragendenden Elements mit der Welle als auch zum Erzeugen des axialen Reibschlusses dienen. Diese axiale Kraft kann beispielsweise das zweite kraftübertragende Element auf einen zylindrischen oder konischen Bereich des ersten kraftübertragenden Elements, der die Welle darstellt, drücken. Alternativ kann die axiale Kraft sowohl das erste als auch das zweite kraftübertragende Element auf die Welle drücken. Zwischen der Welle und dem ersten und/oder dem zweiten kraftübertragenden Element kann beispielsweise durch ein Übermaß zwischen den inneren Umfangsflächen und der Welle die radiale Passung als Presspassung ausgeführt sein. In der Endposition des ersten und des zweiten kraftübertragenden Elements berühren sich die jeweiligen Anlageflächen der Elemente. Dies wiederum erzeugt den axialen Reibschluss. Sowohl die radiale Passung als auch der axiale Reibschluss übertragen nun eine Drehmomentlast zwischen dem ersten und dem zweiten kraftübertragenden Element.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren des Weiteren ein Verdrehen des ersten kraftübertragenden Elements in Bezug auf das zweite kraftübertragendenden Element nach dem Zusammenfügen und vor dem reibschlüssigen Verbinden des ersten und des zweiten kraftübertragenden Elements durch den axialen Reibschluss auf. Solange der Reibschluss zwischen den beiden Elementen noch nicht besteht, ist es möglich, die kraftübertragenden Elemente um ihre Achse zu rotieren. Somit können diese zueinander in jeder gewünschten Winkelposition positioniert werden. Beispielsweise kann hierdurch ein Spiel zwischen den Verzahnungen von Planeten eines Doppelplaneten und einer Hohlwelle und/oder einer Sonne in einem Planetengetriebe reduziert werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen angegeben. Dabei sind insbesondere die in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegebenen Kombinationen der Merkmale rein exemplarisch, so dass die Merkmale auch einzeln oder anders kombiniert vorliegen können.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele und die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen rein exemplarisch und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
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Es zeigen:
- 1a: eine schematische Schnittansicht einer Getriebeanordnung mit einem ersten und einem zweiten kraftübertragenden Element gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 1b: eine schematische Schnittansicht einer Getriebeanordnung mit einem ersten und einem zweiten kraftübertragenden Element gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 2a: eine schematische Schnittansicht einer Getriebeanordnung mit einem ersten und einem zweiten kraftübertragenden Element gemäß einer dritten Ausführungsform; und
- 2b: eine schematische Schnittansicht einer Getriebeanordnung mit einem ersten und einem zweiten kraftübertragenden Element gemäß einer vierten Ausführungsform.
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Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1a, 1b, 2a, 2b zeigen eine Getriebeanordnung 1, die ein erstes kraftübertragendes Element 2 und ein zweites kraftübertragendes Element 4 aufweist. Bei den beiden kraftübertragenden Elementen 2, 4 kann es sich beispielsweise um zwei Planeten eines Doppelplaneten handeln.
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Die beiden kraftübertragenden Elemente 2, 4 sind auf einer Welle 6 mit einer Rotationsachse X koaxial angeordnet. Bei den in 1a und 1b gezeigten Ausführungsformen ist das erste kraftübertragende Element 2 integral mit der Welle 6 ausgebildet, und kann beispielsweise eine Pilzwelle darstellen. Alternativ dazu ist das erste kraftübertragende Element 2 bei den in 2a und 2b gezeigten Ausführungsformen als von der Welle 6 separates Element ausgebildet.
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Um ein Drehmoment M1, M2 zu übertragen, sind das erste kraftübertragende Element 2 und das zweite kraftübertragende Element 4 nicht nur mit der Welle 6, sondern auch miteinander verbunden. Hierzu wird zunächst das zweite kraftübertragende Element 4 auf die Welle 6 bzw. den die Welle 6 bildenden Teil des ersten kraftübertragenden Elements 2 aufgeschoben. Beim Aufschieben des zweiten kraftübertragenden Elements 4 wird eine Passung zwischen dem zweiten kraftübertragenden Element 4 an der inneren Umfangsfläche 8, 8' des zweiten kraftübertragenden Elements 4 und der korrespondierenden Fläche der Welle 6 (bzw. des ersten kraftübertragenden Elements 2) realisiert. Die radiale Passung kann vorzugsweise eine Presspassung sein, wobei auch eine Spielpassung möglich ist.
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Diese innere Umfangsfläche 8, 8' kann entweder als zylindrische innere Umfangsfläche 8', wie in 1a dargestellt ist, oder als konische innere Umfangsfläche 8, wie 1b dargestellt ist, realisiert werden. Die korrespondierende Fläche der Welle 6 weist eine dazu komplementäre Form auf.
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Wirkt nun eine axiale Kraft F 1 auf das zweite kraftübertragende Element 4 wird dieses an einer Anlagefläche 10 gegen eine korrespondierende Anlagefläche 10 des ersten kraftübertragenden Elements 2 gedrückt. An den Anlageflächen 10 zwischen dem ersten kraftübertragenden Element 2 und dem zweiten kraftübertragenden Element 4 wird ein Reibschluss zwischen den beiden Elementen 2, 4 erreicht. Die axiale Kraft F1 kann im Betrieb durch geeignete kraftausübende Mittel aufrechterhalten werden, wie beispielsweise eine Nutmutter oder ähnliches (nicht dargestellt).
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Durch die Verbindung zwischen dem ersten kraftübertragenden Element 2 und dem zweiten kraftübertragenden Element 4 sowohl über die radiale Passung an der inneren Umfangsfläche 8, 8' als auch den Reibschluss an den Anlageflächen 10 werden die beiden Kraftpfade M1, M2 erreicht, die durch entsprechende Pfeile dargestellt sind. M1 stellt dabei einen radialen Kraft- oder Drehmomentpfad dar, und M2 stellt einen axialen Kraft- oder Drehmomentpfad dar. Die Hauptkraft- bzw. Drehmomentübertragung findet dabei über den Pfad M2 an den Anlageflächen 10 statt.
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Wie bereits oben erläutert, kann das erste kraftübertragende Element 2 auch als von der Welle 6 separates Element ausgebildet sein, wie in 2a und 2b gezeigt ist. In diesem Fall wird das erste kraftübertragende Element 2 wie das kraftübertragende Element 4 auf die Welle 6 mittels einer Passung, z.B. einer Presspassung, an den Innenumfangsflächen 12, 12' aufgeschoben. Diese können, wie die innere Umfangsfläche 8, 8' als konische innere Umfangsfläche 12 (2a) oder als zylindrische innere Umfangsfläche 12' (2b) ausgebildet sein. In diesem Fall wird der Reibschluss zwischen dem ersten und dem zweiten kraftübertragenden Element 2, 4 an den Anlageflächen 10 durch axial wirkende Kräfte F1, F2 erreicht, die von beiden axialen Seiten auf die beiden kraftübertragenden Elemente 2, 4 wirken. Wie oben bereits erläutert, können die axialen Kräfte F1, F2 durch entsprechende kraftausübende Mittel während des Betriebs aufrechterhalten werden.
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Durch die oben beschriebene Getriebeanordnung ist es möglich, eine einfache und stabile Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten kraftübertragenden Element bereitzustellen, bei der ein axialer und vorzugsweise auch ein radialer Kraftübertragungspfad ermöglicht wird. Dies wiederum führt dazu, dass die einzelnen Teile der Getriebeanordnung nicht überlastet werden und erhöht somit die Lebensdauer der Getriebeanordnung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebeanordnung
- 2
- erstes kraftübertragendes Element
- 4
- zweites kraftübertragendes Element
- 6
- Welle
- 8
- innere Umfangsfläche
- 10
- Anlageflächen
- 12
- innere Umfangsfläche
- F1, F2
- axiale Kraft
- M1, M2
- Kraftübertragungspfad
- X
- Rotationsachse
