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Die Erfindung betrifft ein Getriebe.
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Aus der Schrift BYRANT, Richard C.,
DUDLEY, Darle W.: In: N.P.Chironis (Hrsg.). Gear design and application.
Mc Graw-Hill Book Company 1967 S. 44 – 51 sind nicht nur Schneckengetriebe
bekannt sondern auch Getriebe, bei denen die Achsen der ein- und
abtreibenden Verzahnungsteile senkrecht aufeinander stehen. Insbesondere
ist aus dieser Schrift, der
DE 100 25 650 A1 und der
DE 100 13 785 A1 ein Spiroplangetriebe,
das auch als Helicongetriebe bezeichnet wird, bekannt und ebenso
die zugehörigen,
miteinander gepaarten Härtegrade
der Verzahnteile. Das Spiroplangetriebe weist ein auf seiner planen
Seite verzahntes Rad als abtreibendes Verzahnungsteil und ein mit
diesem Rad zusammenwirkendes Ritzel als eintreibendes Verzahnungsteil
auf. Das Ritzel hat eine zylindrische Form. Ebenso sind Schneckengetriebe
bekannt, bei denen eine Schnecke mit einem Schneckenrad im Eingriff
steht.
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Nachteilig ist dabei, dass bei der
Fertigung von solchen Getrieben die Verzahnungsteile genau zu positionieren
sind. Dies kann beispielsweise über das
Erstellen von Tragbildern und zugehöriges Feinabstimmen erfolgen,
wobei dies allerdings aufwendig und kostspielig ist. Außerdem müssen auch
das Gehäuse
und alle weiteren Komponenten sehr genau gefertigt werden, um eine
entsprechend genaue Positionierung zu ermöglichen.
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Bei verschiedenen Belastungen, insbesondere
bei großen Übersetzungen
und damit verbundenen kleinen Steigungswinkeln der Ritzelverzahnung, die
große
Axial- und Radialkräfte
zur Folge haben, kommt es zu nicht vernachlässigbaren Verformungen und
damit verbundenen negativen Auswirkungen auf das Übertragungsverhalten
der Verzahnung.
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Bei Evolventen-Stirnradverzahnungen
sind Modifikationen bekannt, wie Profilkorrekturen, beispielsweise
Kopfrücknahme
oder Fußkorrektur,
oder Flankenlinienkorrekturen, wie Flankenlinienballigkeiten oder
dergleichen. Mittels dieser jeweils geeignet auszulegenden Korrekturen
ist eine Verminderung der Geräuschbildung,
des Auftretens von Pittings und eine Erhöhung des Wirkungsgrades sowie
der Laufruhe erzielbar. Insbesondere ist bekannt, mittels geeigneter
Profilkorrekturen, also Korrekturen des Zahnprofils, die Geräuschbildung
zu mindern, da der Bereich des Ein- und Austrittstoßes am Zahnprofil bekannt
ist und eine dort ausgeführte
Materialrücknahme
den Ein- und Austrittstoß vermindert.
Jedoch sind für
das Anbringen solcher Korrekturen zusätzliche Maßnahmen erforderlich, die auch
mit höheren Kosten
verbunden sind. Bei einem Schneckengetriebe wird für das Schneckenrad
ein weicheres Material gewählt
als für
die Schnecke. Somit sind die genannten Korrekturen bei einem Schneckengetriebe
nicht notwendig, da das weiche Material sich entsprechend der Fertigungsabweichungen
und Fehlpositionierung oder entsprechend der Kraftspitzen beim Ein-
oder Austrittstoß verformt.
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Aus der
DE 199 11 432 A1 ist ein
Schneckengetriebe bekannt, bei dem im kraftübertragenden Bereich Profil-Korrekturen
in axialer Richtung zwischen profilunkorrigierten Bereichen angeordnet
sind, die zur Nichteinhaltung des Wälzprinzips führen, insbesondere
also zu Abweichungen im Ablaufverhalten der Verzahnungsteile.
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Aus der
DE 43 28 280 A1 ist ein
Schneckengetriebe bekannt, bei dem eine spezielle Materialpaarung
von Schneckenrad und Schnecke offenbart wird, wobei diese Materialpaarung
speziell für
das Scheckengetriebe und dessen Kinematik vorteilhaft ausgebildet
ist.
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Aus der Schrift "Der Konstrukteur", 1995, Nr. 12, Seite 30,32, „Der alternative
Winkelgetriebemotor",
Autor: N. Mensing ist ein Spiroplangetriebe bekannt, bei dem allerdings
keinerlei Korrekturen aufgebracht sind. Ebenso ist aus der
DE 100 25 650 A1 ein
Spiroplangetriebe bekannt.
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Aus der Schrift von G. Niemann und
H. Winter "Maschinenelemente
Band II", 2. Auflage,
Springer-Verlag Berlin 1989, sind Profilkorrekturen und Flankenlinienkorrekturen,
insbesondere für
Evolventenverzahnungen, bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Getriebe weiterzubilden, das trotz belastungsabhängiger Verzahnungsabweichungen
wenig Verschleiß,
wenig Geräuschbildung
und einen hohen Wirkungsgrad aufweist bei gleichzeitiger kostengünstiger
Ausführung.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei Getriebe
nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung
bei dem Getriebe sind, dass es ein Rad und ein Ritzel umfasst, wobei
die Achse des Rades und die Achse des Ritzels senkrecht aufeinander
stehen, wobei das Ritzel in axialer Richtung an den axialen Endbereichen
einen korrigierten und dazwischen einen unkorrigierten Bereich aufweist,
wobei die Zahnlückenweite
im korrigierten Bereich nicht kleiner werden soll als die Zahnlückenweite
im unkorrigierten Bereich, wobei das Rad auf seiner planen Seite
verzahnt ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass Flankenlinienkorrekturen,
insbesondere Flankenlinienrücknahmen, angebracht
werden und damit Geräuschbildung
reduziert wird. Fertigungsbedingte Verzahnungsabweichungen werden
daher reduziert und die damit verbundenen negativen Auswirkungen
verhindert. Außerdem
werden unter Belastung die scheinbaren Verzahnungsabweichungen,
die durch Verformungen im Getriebe unter Last entstehen, ausgeglichen, so
dass ein optimaler Eingriff ermöglicht
wird, was dann wiederum zur Verminderung von Verschleißerscheinungen
und Pittingbildung führt.
Außerdem werden
Ein- und Austrittstöße überraschenderweise mit
diesen Flankenlinienkorrekturen vermindert. Verzahnungsabweichungen,
wie insbesondere Teilungsabweichungen, werden ausgeglichen und es
kommt daher zu einer größeren Laufruhe
im Getriebe, also einem ruhigeren Lauf der Verzahnung.
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Darüber hinaus wird die Gefahr
von Zahnbrüchen
deutlich reduziert, da es im Falle von Herstellungsabweichungen
nicht zu einer Kollision zwischen Ritzel und Rad kommt.
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Bei einer bevorzugten Ausführung ist
die Zahnlückenweite
im korrigierten Bereich (C, A) nicht kleiner als die Zahnlückenweite
im unkorrigierten Bereich B. Von Vorteil ist dabei, dass ein geräusch- und verschleißarmer Betrieb
ermöglicht
ist und insbesondere Ein- und Austrittstöße verminderbar sind. Außerdem ist
die Fertigung sehr einfach ausführbar,
da ein einfaches Werkzeug verwendbar ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführung sind
das Ritzel und das Rad aus ähnlich
hartem Material ausgeführt.
Insbesondere sind das Ritzel und das Rad aus härterem Material ausgeführt als
das Schneckenrad eines Schneckengetriebes. Von Vorteil ist dabei,
dass bei zwei harten Verzahnungspartnern ein Ausgleich erfolgt,
da somit Spannungsspitzen infolge ungünstiger Lastverteilung und
Tragbildverlagerung verhinderbar sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführung weist
das Ritzel in axialer Richtung an den axialen Endbereichen einen
korrigierten und dazwischen einen unkorrigierten Bereich auf. Von
Vorteil ist dabei, dass die Einlauf- und Auslaufbereiche korrigiert
ausführbar sind
und der mittlere Bereich unkorrigiert ausführbar ist. Somit ist beim Einlauf-
und Auslaufbereich der Ein- beziehungsweise Austrittsstoß reduzierbar
und die Geräuschbildung
verminderbar und die durch belastungsabhängige Verzahnungsabweichungen
verursachten negativen Auswirkungen verminderbar oder sogar kompensierbar.
Im unkorrigierten Bereich liegt dann die mathematisch ideale Verzahnung
vor, die somit ein optimales Funktionieren des Getriebes zulässt.
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Bei einer bevorzugten Ausführung sind
die Korrekturen Flankenlinienkorrekturen, insbesondere Flankenlinienrücknahmen,
zur Verminderung der Ein- und Austrittstöße. Dies überrascht, weil die nachfolgend
beschriebenen Vorteile üblicherweise mittels
Profilkorrekturen erreicht werden. Von Vorteil ist dabei, dass die
Korrekturen einfach auszuführen sind,
aber die Vorteile einen technischen Fortschritt darstellen, der
nun überraschend
erreichbar ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführung ist
das Rad auf seiner planen Seite verzahnt. Von Vorteil ist dabei,
dass es einfach und kostengünstig
herstellbar ist, insbesondere nach Stand der Technik.
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Bei einer bevorzugten Ausführung ist
das Ritzel derart tonnenförmig
verzahnt, dass mindestens ein Radius, wie Fußkreisradius, Grundkreisradius,
Teilkreisradius, Kopfkreisradius, als Funktion von der Ritzelachsenposition
mindestens abschnittsweise immer endliche Krümmungen aufweist mit stets demselben
Vorzeichen. Insbesondere ist das Ritzel derart tonnenförmig verzahnt,
dass mindestens ein Bezugskreisradius, wie Fußkreisradius, Teilkreisradius,
Kopfkreisradius, als Funktion von der Ritzelachsenposition mindestens
abschnittsweise ein Kreis- oder Ellipsenabschnitt ist. Von Vorteil
ist dabei, dass bei belastungsabhängig auftretenden und/oder
fertigungsfehlerbedingten Fehlpositionierungen der Verzahnungspartner,
also Ritzel und Rad, eine Kompensation erreichbar ist. Denn die
tonnenförmige
Ausführung
ermöglicht,
dass die Eingriffsbedingungen der Verzahnungspartner bei gewissen
Fehlpositionierungen oder fehlerhaften Ausrichtungen der Achsen
der Verzahnungspartner gleich bleiben.
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Bei einer bevorzugten Ausführung ist
das Getriebe ein Spiroplangetriebe. Von Vorteil ist dabei, dass
ein kostengünstig
herstellbares Winkelgetriebe realisierbar ist, das die genannten
Vorteile aufweist und darüber
hinaus anderen Winkelgetrieben in vielen Eigenschaften überlegen
ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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- 1
- Ritzel
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Die Erfindung wird nun anhand von
Abbildungen näher
erläutert:
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In der 1 ist
ein erfindungsgemäßes Ritzel 1 des
Spiroplangetriebes gezeigt, wobei ein Einlaufbereich A axial vor
einem unkorrigierten Bereich B angeordnet ist, vor dem axial ein
korrigierter Auslaufbereich C angeordnet ist. Die Korrekturen sind dabei
derart klein, dass sie mit bloßem
Auge am Ritzel nicht einfach erkennbar sind.
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In der 2 ist
das Ritzel in räumlicher
Darstellung gezeigt. Es sieht einer Schnecke eines Schneckengetriebes ähnlich,
wobei die Schnecke aus einem härteren
Material als das Schneckenrad gefertigt ist. Das erfindungsgemäße Ritzel
ist jedoch trotz Ähnlichkeit
zu einer Schnecke aus einem ähnlich
harten Material wie das Rad. In Zusammenwirkung mit den Flankenlinienkorrekturen
ergeben sich dann überraschenderweise
die erfindungsgemäßen Vorteile,
wie verminderte Ein- und Austrittstöße und verbesserte Laufruhe
sowie verbesserter Wirkungsgrad und geringerer Verschleiß.
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Im unteren Teil der 1 sind für die rechte Flanke RF beziehungsweise
für die
linke Flanke LF des erfindungsgemäßen Ritzels 1 zugehörige Flankenlinienmessschriebe
eingezeichnet. Der erste ist mit durchgezogener Linie h ausgeführt und
zeigt für ein
erstes erfindungsgemäßes Ritzel
eine ballige Korrektur. Der zweite ist mit gepunkteter Linie g ausgeführt und
zeigt für
ein zweites erfindungsgemäßes Ritzel
eine ballige Korrektur. Für
die linke Flanke LF und die rechte Flanke RF sind die Nennkorrekturen jeweils
auf der gegenüberliegenden
Stirnseite angebracht, d.h. in der 1 für die rechte
Flanke RF an der rechten Stirnseite, also im Bereich C, und für die linke
Flanke an der linken Stirnseite, also im Bereich A. In den Auslaufbereichen
der jeweiligen Zahnflanken sind unterschiedliche Korrekturen anbringbar. Dies
bedeutet, dass in der 1 im
Bereich C an der linken Flanke unterschiedliche Korrekturen vorsehbar
sind, wobei allerdings die Zahnlückenweite
im Bereich C nicht kleiner werden soll als die Zahnlückenweite
im Bereich B. Dementsprechend dürfen die
maximalen Beträge
der Korrekturen an der linken Flanke im Bereich C nur dann die Korrekturbeträge an der
rechten Flanke im Bereich C überschreiten, wenn
eine Flankenrücknahme,
also erhöhter
Materialabtrag vorgesehen ist.
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Beispielsweise ist eine gleiche oder ähnliche Flankenrücknahme
(g1, h1) auf der
Flanke RF im Bereich A ausgeführt
wie die Flankenrücknahme
(g, h) auf der Einlaufseite, also der rechten Flanke RF im Bereich
C.
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Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
sind im Auslaufbereich, also auf der Flanke RF im Bereich A, auch
Korrekturen (g2, h2) vorteilhaft
ausführbar,
die sogar ein leichtes Vorstehen der Flankenbereiche bewirken.
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Die gegenüber liegende Flanke darf immer nur
derartige Korrekturen aufweisen, dass die Zahnlückenweite im korrigierten Bereich,
also in den Bereichen A und C, gegenüber dem Bereich B zumindest
nicht abnimmt. Dies beinhaltet auch ein Nicht-Korrigieren der Flanke
(i), insbesondere weil die andere Flanke im Einlaufbereich eine
Flankenrücknahme
aufweist und dann die Zahnlückenweite zunimmt.
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Bei wie in der 1 gezeigtem linksgängigem Ritzel ist bei Drehrichtung
Links (Blickrichtung Antrieb/Seite C) im Einlaufbereich A die Linksflanke LF
im Eingriff. Bei Drehrichtung Rechts hingegen ist im Einlaufbereich
C die Rechtsflanke RF im Eingriff.
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Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist das Ritzel rechtsgängig.
Die Einlaufbereiche liegen dann auf der den Drehrichtungen entsprechenden
Seiten. Demgemäß sind auch
die Korrekturen der Einlaufbereiche zu wählen.
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Im oberen Teil der 1 ist nur eine Zeichnung für beide
Ausführungsbeispiele
ausgeführt,
da die Unterschiede mit bloßem
Auge nicht zu erkennen sind, denn das Ritzel 1 ist beispielsweise
50 mm lang und die maximalen Beträge der Korrekturen sind beispielsweise
Abweichungen von weniger als 100 μm. Bei
größeren Ritzeln
sind die Korrekturen auch entsprechend größer.
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Die Flankenlinienmessschriebe δ sind für den unkorrigierten
Bereich B eine konstante Funktion der axialen Position z in Ritzel-Achsrichtung.
In den beiden Endbereichen, also dem Einlaufbereich A, der linken
Flanke LF beziehungsweise Auslaufbereich A der rechten Flanke RF,
am einen axialen Ende des Ritzels, und dem Auslaufbereich C, der
linken Flanke LF beziehungsweise Einlaufbereich C der rechten Flanke
RF, am anderen Ende des Ritzels ist eine Flankenrücknahme
in balliger Form gemäß der durchgezogenen
Linie h oder in linearer Form gemäß der gepunkteten Linie g ausgeführt.
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In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
sind auch zur Erzielung der Balligkeit andere Funktionen verwendbar,
wie ellipsenförmige
Abschnitte, kreisförmige
Abschnitte oder ähnlich
verlaufende Funktionen. Besonders vorteilhaft sind Funktionen, die
in den Endbereichen zumindest abschnittsweise endliche Krümmungen
aufweisen und in den Abschnitten das gleiche Vorzeichen der Krümmung haben.
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Der Fachmann kann auch weitere Flankenlinien-
oder sogar zusätzliche
Profillinienkorrekturen hinzufügen,
um ein noch weiter verbessertes Laufverhalten, eine noch weiter
verringerte Geräuschbildung
oder einen noch weiter verbesserten Wirkungsgrad zu erreichen.
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Die Flankenlinien-Messschriebe werden
unter Verwendung einer Verzahnungsmessmaschine entlang der Achse
z als Abweichungen δ der
Flankenlinie zur Flankenlinie eines unmodifizierten mathematisch
idealen Spiroplan-Ritzels festgestellt, wobei die Abweichungen δ aus
der modifizierten Zahnform resultieren. Dabei wird beispielsweise
das Ritzel am Messtaster in z-Achsenrichtung entlang geschraubt.
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Bei Messung des Fußkreises
der Verzahnung, also dem tiefsten Punkt der Zahnlücke entlang der
Achse, also in Achsenrichtung z, wird der Messtaster entsprechend
der Geometrie im unkorrigierten Bereich, also Bereich B, geführt oder
das Ritzel entsprechend vorbeibewegt. Beispielsweise führt das
Ritzel eine zylindrische Schraubenbewegung aus, wenn im unkorrigierten
Bereich B eine entsprechend zylindrische Geometrie vorliegt. Der
Messschrieb zeigt die Modifikation oder Abweichung δ senkrecht
zur Verzahnungsflanke. Wenn beispielsweise im Bereich B eine tonnenförmige Geometrie vorliegt,
führt das
Ritzel eine entsprechend tonnenförmige
Schraubenbewegung aus. Der Messschrieb zeigt dann wiederum die Modifikation
oder Abweichung δ senkrecht
zur Verzahnungsflanke. Eine solche tonnenförmige Ausführung hat den Vorteil, belastungsabhängig gleichartige
Eingriffsbedingungen aufzuweisen und dadurch bedingte weitere Vorteil, wie
geringer Verschleiß.
Somit sind nicht nur fertigungsbedingte Toleranzen ausgleichbar
sondern sogar auch belastungsabhängig
auftretende Toleranzen. Überraschenderweise
ist dieses Ausgleichen von belastungsabhängigen Toleranzen sogar bei dem
erfindungsgemäßen Vorsehen
von korrigierten Einlauf- und Auslaufbereichen verwendbar und die erfindungsgemäßen Vorteile,
wie beispielsweise Geräuschreduzierung
und Verminderung von Pitting, bleiben erhalten.
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Bei Messung eines anderen Bezugskreises der
Verzahnung, wie Kopf-, Teil- oder Grundkreises, entlang der Achse,
also Achsenrichtung z, wird die genannte, der Geometrie im Bereich
B entsprechende Bewegung ausgeführt.
Der Messschrieb zeigt dann die Modifikation oder Abweichung δ senkrecht zur
Verzahnungsflanke im Bereich des Bezugskreises.
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Die linearen Korrekturen sind besonders
einfach und kostengünstig
zu fertigen und weisen auch schon die erfindungsgemäßen Vorteile
in gewisser Stärke
auf. Die balligen Korrekturen sind dagegen noch weiter vorteilhaft,
insbesondere weil der Übergang
zum konstanten unkorrigierten Bereich stetig und sogar differenzierbar
gestaltbar ist und somit während
des Ablaufens der Verzahnungspartner aneinander kein wesentlicher
Ruck oder Spannungsspitzen entstehen.
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Die Flankenlinienmessschriebe werden
auf einem Bezugsradius mittels der genannten Bewegung des Ritzels
erfasst, also auf dem Teilkreis, Fußkreis oder Kopfkreis. Es sind
aber auch andere dazwischen liegende Bezugskreise verwendbar. Dabei wird
wiederum bei einem Fußkreis,
der auf einem Zylinder liegt, eine zylindrische Schraubenbewegung ausgeführt. Wenn
jedoch der Fußkreis
auf einer tonnenförmigen
Schraube im unkorrigierten Bereich verläuft, wird eine der Tonne entsprechende
Schraubenbewegung ausgeführt,
um die gezeigten Messschriebe zu erhalten.
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Die Definition der Bezugskreise,
wie beispielsweise Teilkreis, Fußkreis und Kopfkreis, erfolgt gemäß „Maschinenelemente
Bde. II und III" von
G. Niemann / H. Winter (ISBN 3-540-11149-2 bzw. 3-540-10317-1 ).
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Die Definition tonnenförmig soll
sich bei der vorliegenden Erfindung nicht nur auf Tonnenkörper gemäß Bronstein,
Taschenbuch der Mathematik, 25. Auflage, B.G.Teubner, ISBN 3-87144-492-8
beziehen sondern auch auf abschnittsweise tonnenförmige Körper, also
beispielsweise Körper,
die Abschnitte aus Kreiszylindern und Tonnenkörpern aufweisen. Darüber hinaus
sind auch Körper
vorteilhaft verwendbar, die Abschnitte von Kegeln umfassen.
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Für
Ritzel und Rad werden bei einem besonders vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
gleiche oder ähnlich
harte Werkstoffe verwendet. Dabei ist wahlweise Vergütungsstahl
mit einer Zugfestigkeit von 600-800N/mm2 oder
Einsatzstahl mit einer Oberflächenhärte von
HV1 600-800 vorteilhaft. Weiterhin ist die Verwendung von Sphäroguss GGG
40-70 auch vorteilhaft ausführbar.
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Bei Schneckengetrieben und den anderen Getrieben,
bei denen Ritzel und Radachsen senkrecht zueinander stehen, sind
dieselben Korrekturen ähnlich
vorteilhaft ausführbar.
Die Erfindung bezieht sich also auch auf diese Getriebe.
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In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist das Ritzel derart tonnenförmig verzahnt,
dass mindestens ein Radius, wie Fußkreisradius, Grundkreisradius,
Teilkreisradius, Kopfkreisradius, als Funktion von der Ritzelachsenposition mindestens
abschnittsweise immer eine endliche Krümmung aufweist mit unveränderlichem
Vorzeichen. Insbesondere ist das Ritzel derart tonnenförmig verzahnt,
dass mindestens ein Radius, wie Fußkreisradius, Grundkreisradius,
Teilkreisradius, Kopfkreisradius, als Funktion von der Ritzelachsenposition
z mindestens abschnittsweise ein Ellipsenabschnitt ist. Von Vorteil
ist dabei, dass bei belastungsabhängig auftretenden und/oder
fertigungsfehlerbedingten Fehlpositionierungen der Verzahnungspartner,
also Ritzel und Rad, eine Kompensation erreichbar ist. Denn die
tonnenförmige
Ausführung
ermöglicht,
dass die Eingriffsbedingungen der Verzahnungspartner gleich bleiben.