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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 Getriebe
bekannt, 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. Dieses 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. Nachteilig ist dabei, dass bei
der Fertigung von solchen Getrieben die Verzahnungsteile genau zu positionieren sind.
Dies kann beispielsweise über das Erstellen von Tragbildern erfolgen, wobei dies
allerdings aufwendig und kostspielig ist. Außerdem müssen auch das Gehäuse und alle
weiteren Komponenten sehr genau gefertigt werden, um eine 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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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe weiterzubilden, das bei
geringeren Ansprüche an die Fertigungsqualität trotzdem wenig Verschleiß und 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 das Getriebe ein Rad
und ein Ritzel umfasst, wobei das Ritzel tonnenförmig verzahnt ist. Von Vorteil ist dabei,
dass das Ritzel stets einen optimalen Eingriff oder zumindest die immer gleichen
Eingriffsbedingungen aufweist. Dabei werden gewisse Fertigungsfehler durch die
Tonnenform ausgeglichen. Des Weiteren ist sogar bei verschiedenartiger Belastung des
Getriebes stets derselbe optimale Eingriff oder zumindest sind die immer gleichen
Eingriffsbedingungen gegeben. Denn bei verschiedenen Belastungen, insbesondere bei
großen Übersetzungszahlen und damit verbundenen kleinen Steigungswinkeln der
Ritzelverzahnung, die große Axial- und Radialkräfte zur Folge haben, kommt es zu nicht
vernachlässigbaren Verformungen, die aber durch die tonnenförmige Auslegung
zumindest teilweise kompensierbar sind. Durch die neue Verzahnungsgeometrie können
die nicht zu verhindernden Verbiegungen in Bezug auf die Eingriffsgeometrie der
Verzahnung ausgeglichen werden.
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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 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 ein Ellipsenabschnitt ist. Von Vorteil ist dabei, dass Verformungen
oder durch Fertigungsfehler bedingte gewisse kleine Fehlstellungen der Ritzel- oder
Radachsen trotzdem nicht zu geänderten Eingriffsbedingungen der Verzahnungen
führen. Somit ist der Verschleiß vermindert, auch wenn schon eine hohe Standzeit
erreicht ist und dadurch gewisse Verformungen oder geänderte Positionierungen
auftreten.
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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
ein Kegelabschnitt ist. Von Vorteil ist dabei, dass solche Kegelabschnitte wesentlich
einfacher und kostengünstiger zu fertigen sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführung ist das Getriebe ein Schneckengetriebe oder ein
Helicongetriebe und/oder ein Spiroplangetriebe. Von Vorteil ist dabei, dass bei einem
Schneckengetriebe, das ein Ritzel aus härterem Material aufweist als das zugehörige
Schneckenrad, eine geringere Abnutzung erreichbar ist. Im Gegensatz dazu stehen bei
einem Spiroplan- oder Helicongetriebe zwei harte Verzahnungspartner, also Ritzel und
Rad, im Eingriff. Bei diesen harten Verzahnungspartnern ist ein Ausgleich besonders
vorteilhaft, da somit gefährliche Spannungsspitzen infolge ungünstiger Lastverteilung und
Tragbildverlagerung verhinderbar sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführung stehen die Achse des Rades und die Achse des
Ritzels senkrecht aufeinander. Von Vorteil ist dabei, dass die Erfindung auf alle
bekannten Getriebe solcher Art anwendbar ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführung ist das Rad auf seiner planen Seite verzahnt. Von
Vorteil ist dabei, dass die Erfindung bei anderen, den Spiroplangetrieben ähnlichen
Getrieben anwendbar ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführung ist das Schneckenrad aus weicherem Material als das
Ritzel. Von Vorteil ist dabei, dass die tonnenförmige Ausformung des Ritzels beim
Schneckengetriebe, also der Schnecke, zu einem geringeren Verschleiß und einem
höheren Wirkungsgrad führt.
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Bei einer bevorzugten Ausführung sind Ritzel und Rad aus ähnlich hartem Material
ausgeführt, insbesondere mit gleichem oder nur unwesentlich anderem Härtegrad. Der
Vorteil zweier ähnlich harter Werkstoffe ist dabei die Fähigkeit, höhere Belastungen
übertragen zu können als eine Werkstoffkombination hart/weich, da mit der Zunahme der
Härte auch eine Festigkeitssteigerung verbunden ist. Somit bleiben dem
erfindungsgemäßen Getriebe sogar bei hohen Belastungen die Eingriffsbedingungen
erhalten.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bezugszeichenliste
1 Ritzel
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Ritzel des Spiroplangetriebes gezeigt, wobei
eine tonnenförmige Ausbildung zu erkennen ist, insbesondere ist der
Teilkreisradiusverlauf gestrichelt eingezeichnet. Der Teilkreisradius verläuft als Funktion
der Ritzelachsenposition als Kreisabschnitt mit Radius r und hat somit eine konstante
endliche Krümmung. Dieses Ritzel ist somit einfach und kostengünstig an einer
zugehörigen Werkzeugmaschine zu programmieren und herzustellen.
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In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind auch andere Funktionen
verwendbar. In der Fig. 2a ist dabei ein Beispiel gezeigt mit ellipsenförmigem Abschnitt
A und in der Fig. 2b ist ein Beispiel mit Ellipsenabschnitten B und einem dazwischen
liegenden, einen konstanten Teilkreisradius aufweisenden Abschnitt C gezeigt. Somit ist
die Krümmung in dem letztgenannten Abschnitt unendlich. In den beiden
Ellipsenabschnitten B ist die Krümmung endlich und zwar wächst sie vom einen axialen
Ende des Ritzels herkommend zur Mitte des Ritzels hin an.
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In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind auch andere Funktionen
verwendbar. Besonders vorteilhaft sind Funktionen, die abschnittsweise eine endliche
Krümmung aufweisen und in allen Abschnitten das gleiche Vorzeichen der Krümmung
haben.
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Der Fachmann kann auch weitere Flankenlinien- oder Profillinienkorrekturen hinzufügen,
um ein weiter verbessertes Laufverhalten, weiter verringerte Geräuschbildung oder ein
weiter verbesserten Wirkungsgrad zu erreichen.
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Fig. 3 zeigt eine räumliche Ansicht des genannten Ritzels.
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Bei den Fig. 2a und 2b liegen Bezugskreise in der Verzahnteilmitte, wo auch der für
die mathematische Beschreibung gewählte Ursprung des Koordinatensystems und damit
die axiale Lage der Bezugskreise sich befindet. Fallen die Verzahnteilmitte und der
Ursprung nicht zusammen, entsteht ein zur Verzahnungsmitte unsymmetrisch geformtes
tonnenförmiges Verzahnteil.
Die Gleichung
beschreibt den Verlauf des Bezugskreisradius ri in Ritzelachsenrichtung z, wobei
r(z): axial variabler Kreisradius
b: Halbachse des Fräserbahnradius in axialer Richtung
h: Steigungshöhe der Idealverzahnung
φ: Umfangswinkel am Ritzel in °
r0: Halbachse des Fräserbahnradius' in radialer Richtung
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Für b = r0 ist damit die Kreisform gemäß Fig. 1 beschrieben. Für andere Werte von b ist
damit eine elliptische Form gemäß der Fig. 2a beschrieben. Außerdem ist die Formel
auch anwendbar für die elliptischen Bereiche B in der Fig. 2b.
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Als Wert von ri sind beliebige Bezugskreise verwendbar, wie beispielsweise
Bezugsfußkreisradius rf1, Bezugsteilkreisradius r1 oder Bezugskopfkreisradius ra1.
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Die Fig. 4a bis 4c zeigen Flankenlinien-Messschriebe zweier verschiedener
erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele. Dabei werden unter Verwendung einer
Verzahnungsmessmaschine entlang der Achse z Abweichungen δ der Flankenlinie zur
Flankenlinie eines unmodifizierten mathematisch idealen Spiroplan-Ritzels festgestellt,
die aus der modifizierten Zahnform resultieren. Bei Messung eines Bezugskreises der
Verzahnung, wie Kopf-, Teil-, Grund- und/oder Fußkreises, entlang der Achse, also
Achsenrichtung z, zeigt der in den Fig. 4a bis 4c gezeigte Messschrieb die
Modifikation oder Abweichung 6 senkrecht zur Verzahnungsflanke.
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Im mittleren Bereich der Flankenlinien-Messschriebe liegt ein konstanter Bereich vor, weil
dort das Ritzel ohne Modifikationen ausgeführt ist, also wie im Bereich C der Fig. 3. Zu
den beiden Enden hin weist das Ritzel Bereiche auf, bei denen Modifikationen
vorgesehen sind. Dies entspricht auch den Bereichen B der Fig. 2b. In den Fig. 4a
bis 4c zeigen die durchgezogenen Linien h ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
mit balligen Korrekturen und die gepunkteten Linien g ein erfindungsgemäßes
Ausführungsbeispiel mit linearen Korrekturen. Diese linearen Korrekturen sind besonders
einfach und kostengünstig zu fertigen. Darüber hinaus stellen sie eine gute Näherung der
erfindungsgemäßen Tonnenform dar und weisen somit die erfindungsgemäßen Vorteile
auf. Die balligen Korrekturen entsprechen im Wesentlichen den elliptischen Abschnitten
B der Fig. 2b. Jedoch sind fertigungsbedingt oder insbesondere
werkzeugmaschinenbedingt Abweichungen von der in der Fig. 3 gezeigten elliptischen Form vorhanden. Die
erfindungsgemäßen Vorteile sind aber auch auf diese Weise ausreichend gut erreichbar.
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Fig. 4a bezieht sich auf einen Radius, der größer ist als derjenige Radius, auf den sich
Fig. 4b bezieht.
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Fig. 4b bezieht sich auf einen Radius, der größer ist als derjenige Radius, auf den sich
Fig. 4c bezieht.
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Beispielhaft ist Fig. 4a am Kopfkreis aufgenommen, Fig. 4b am Teilkreis und Fig. 4c
am Fußkreis.
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Fig. 5 zeigt einen Radiusmessschrieb wiederum der beiden verschiedenen
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele. Dabei werden unter Verwendung einer
Verzahnungsmessmaschine entlang der Achse z, beispielsweise der Radius des Kopf-,
Teil oder Fußkreises gemessen. Ein 1D-Messtaster ist bei der Messmaschine vorteilhaft
verwendbar. Bei Messung eines Bezugskreises der Verzahnung, wie Kopf-, Teil-, Grund-
und/oder Fußkreises, entlang der Achse, also Achsenrichtung z, zeigt der in der Fig. 5
gezeigte Messschrieb die Abweichungen des Radius r in radialer Richtung.
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Im mittleren Bereich des Radius-Messschriebes liegt ein konstanter Bereich vor, weil dort
das Ritzel ohne Modifikationen ausgeführt ist, also wie im Bereich C der Fig. 3. Zu den
beiden Enden hin weist das Ritzel Bereiche auf, bei denen Modifikationen vorgesehen
sind. Dies entspricht auch den Bereichen B der Fig. 2b. In den Fig. 4a bis 4c zeigen
die durchgezogenen Linien h ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit balligen
Korrekturen und die gepunkteten Linien g ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
mit linearen Korrekturen. Diese linearen Korrekturen sind besonders einfach und
kostengünstig zu fertigen. Darüber hinaus stellen sie eine gute Näherung der
erfindungsgemäßen Tonnenform dar und weisen somit die erfindungsgemäßen Vorteile
auf. Die balligen Korrekturen entsprechen im Wesentlichen den elliptischen Abschnitten
B der Fig. 2b. Jedoch sind fertigungsbedingt oder insbesondere
werkzeugmaschinenbedingt Abweichungen von der in der Fig. 3 gezeigten elliptischen Form vorhanden. Die
erfindungsgemäßen Vorteile sind aber auch auf diese Weise ausreichend gut erreichbar.
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Beispielhaft ist Fig. 5 am Fußkreis aufgenommen.
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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. Beispielsweise ist in dem erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2b im Bereich C ein zylindrischer Abschnitt und in den
Bereichen B statt eines ellipsenförmigen Abschnitts ein kegeliger Abschnitt ausführbar.
Dies hat den wesentlichen Vorteil, gegenüber einer ellipsenförmigen Ausführung,
besonders einfach und kostengünstig ausführbar zu sein.
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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 600-800 N/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 tonnenförmigen Korrekturen mit den
genannten Vorteilen ausführbar. Die Erfindung bezieht sich also auch auf diese Getriebe.