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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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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.
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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 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 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.
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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.
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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
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 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.
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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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3 zeigt
eine räumliche
Ansicht des genannten Ritzels.
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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.
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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 °
r
0 : Halbachse des Fräserbahnradius' in radialer Richtung
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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.
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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 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.
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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 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.
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4a bezieht
sich auf einen Radius, der größer ist
als derjenige Radius, auf den sich 4b bezieht.
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4b bezieht
sich auf einen Radius, der größer ist
als derjenige Radius, auf den sich 4c bezieht.
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Beispielhaft ist 4a am Kopfkreis aufgenommen, 4b am Teilkreis und 4c am Fußkreis.
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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.
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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 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.
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Beispielhaft ist 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 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 600–800N/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 tonnenförmigen
Korrekturen mit den genannten Vorteilen ausführbar. Die Erfindung bezieht
sich also auch auf diese Getriebe.