DE10203983B4

DE10203983B4 - Getriebe

Info

Publication number: DE10203983B4
Application number: DE2002103983
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Barton; Heinrich Zimmermann
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: DE10203983A1

Abstract

Getriebe, umfassend ein Rad und ein Ritzel,
wobei die Achse des Rades und die Achse des Ritzels senkrecht aufeinander stehen,
wobei das Rad auf seiner planen Seite verzahnt ist,
wobei das Ritzel mindestens in einem Abschnitt derart tonnenförmig verzahnt ist, dass mindestens ein Radius, wie Fußkreisradius, Grundkreisradius, Teilkreisradius, Kopfkreisradius, als Funktion von der Ritzelachsenposition mindestens abschnittsweise immer eine endliche Krümmung aufweist mit unveränderlichem Vorzeichen,
wobei das Ritzel und das Rad aus Material mit gleichem Härtegrad ausgeführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe.

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.

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.

Aus der DE 199 11 432 A1 ist ein Schneckengetriebe bekannt, bei dem im kraftübertragenden Bereich Profil-Korrekturen in axialer Richtung zwischen profil-unkorrigierten Bereichen angeordnet sind, die zur Nichteinhaltung des Wälzprinzips führen, insbesondere also zu Abweichungen im Ablaufverhalten der Verzahnungsteile.

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.

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.

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.

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.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei Getriebe nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Getriebe sind, dass das Getriebe ein Rad und ein Ritzel umfasst, wobei die Achse des Rades und die Achse des Ritzels senkrecht aufeinander stehen, wobei das Rad auf seiner planen Seite verzahnt ist, wobei das Ritzel mindestens in einem Abschnitt derart tonnenförmig verzahnt ist, dass mindestens ein Radius, wie Fußkreisradius, Grundkreisradius, Teilkreisradius, Kopfkreisradius, als Funktion von der Ritzelachsenposition mindestens abschnittsweise immer eine endliche Krümmung aufweist mit unveränderlichem Vorzeichen, wobei das Ritzel und das Rad aus Material mit gleichem Härtegrad ausgeführt sind.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

1: Ritzel

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 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.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind auch andere Funktionen verwendbar. In der 2a ist dabei ein Beispiel gezeigt mit ellipsenförmigem Abschnitt A und in der 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.
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.
Der Fachmann kann auch weitere Flankenlinien- oder Profillinienkorrekturen hinzufügen, um ein weiter verbessertes Laufverhalten, weiter verringerte Geräuschbildung oder ein weiter verbesserten Wirkungsgrad zu erreichen.
3 zeigt eine räumliche Ansicht des genannten Ritzels.
Beiden 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 r_i 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
Für b = r₀ ist damit die Kreisform gemäß 1 beschrieben. Für andere Werte von b ist damit eine elliptische Form gemäß der 2a beschrieben. Außerdem ist die Formel auch anwendbar für die elliptischen Bereiche B in der 2b.
Als Wert von r_i sind beliebige Bezugskreise verwendbar, wie beispielsweise Bezugsfußkreisradius r_f1, Bezugsteilkreisradius r₁ oder Bezugskopfkreisradius r_a1.
Die 4a bis 4c zeigen Flankenlinien-Messschriebe zweier verschiedener erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele. Dabei werden unter Verwendung einer Verzahnungsmessmaschine entlang der Achse z Abweichungen 6 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 4a bis 4c gezeigte Messschrieb die Modifikation oder Abweichung 6 senkrecht zur Verzahnungsflanke.
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 3. Zu den beiden Enden hin weist das Ritzel Bereiche auf, bei denen Modifikationen vorgesehen sind. Dies entspricht auch den Bereichen B der 2b. In den 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 2b. Jedoch sind fertigungsbedingt oder insbesondere werkzeugmaschinenbedingt Abweichungen von der in der 3 gezeigten elliptischen Form vorhanden. Die erfindungsgemäßen Vorteile sind aber auch auf diese Weise ausreichend gut erreichbar.
4a bezieht sich auf einen Radius, der größer ist als derjenige Radius, auf den sich 4b bezieht.
4b bezieht sich auf einen Radius, der größer ist als derjenige Radius, auf den sich 4c bezieht.
Beispielhaft ist 4a am Kopfkreis aufgenommen, 4b am Teilkreis und 4c am Fußkreis.
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 5 gezeigte Messschrieb die Abweichungen des Radius r in radialer Richtung.
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 3. Zu den beiden Enden hin weist das Ritzel Bereiche auf, bei denen Modifikationen vorgesehen sind. Dies entspricht auch den Bereichen B der 2b. In den 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 2b. Jedoch sind fertigungsbedingt oder insbesondere werkzeugmaschinenbedingt Abweichungen von der in der 3 gezeigten elliptischen Form vorhanden. Die erfindungsgemäßen Vorteile sind aber auch auf diese Weise ausreichend gut erreichbar.
Beispielhaft ist 5 am Fußkreis aufgenommen.
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 ).
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 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.
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.
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.

Claims

Getriebe, umfassend ein Rad und ein Ritzel, wobei die Achse des Rades und die Achse des Ritzels senkrecht aufeinander stehen, wobei das Rad auf seiner planen Seite verzahnt ist, wobei das Ritzel mindestens in einem Abschnitt derart tonnenförmig verzahnt ist, dass mindestens ein Radius, wie Fußkreisradius, Grundkreisradius, Teilkreisradius, Kopfkreisradius, als Funktion von der Ritzelachsenposition mindestens abschnittsweise immer eine endliche Krümmung aufweist mit unveränderlichem Vorzeichen, wobei das Ritzel und das Rad aus Material mit gleichem Härtegrad ausgeführt sind.
Getriebe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein Helicongetriebe oder ein Spiroplangetriebe ist.
Getriebe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel derart tonnenförmig verzahnt ist, dass mindestens ein Radius, wie Fußkreisradius, Grundkreisradius, Teilkreisradius, Kopfkreisradius, als Funktion von der Ritzelachsenposition mindestens abschnittsweise ein Ellipsenabschnitt ist.
Getriebe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel derart tonnenförmig verzahnt ist, dass mindestens ein Radius, wie Fußkreisradius, Grundkreisradius, Teilkreisradius, Kopfkreisradius, als Funktion von der Ritzelachsenposition mindestens abschnittsweise ein Kegelabschnitt ist.