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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Zahnradtrieb mit einem Zahnrad aus zwei Zahnradscheiben, die
bezüglich
ihrer Drehachse gegeneinander verspannt sind, und wenigstens einem
kämmenden
Gegenrad, mit selbsttätigem
Ausgleich eines beim kämmenden
Eingriff vorhandenen Zahnflankenspiels.
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Ein Zahnradtrieb sollte so ausgelegt
werden, dass weder ein zu geringes, noch ein zu großes Zahnflankenspiel
auftritt, da es sonst zu einem Klemmen der Zahnräder bzw. zu Klappergeräuschen kommen
kann. Dies gilt vor allem bei wechselmomentbelasteten Zahnradtrieben,
beispielsweise Kurbelwellentriebe von Verbrennungsmotoren, bei denen
bei einem zu großen
Zahnflankenspiel als Laufgeräusch wahrnehmbare,
hochfrequente Schwingungen erzeugt werden.
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Dieses Problem tritt verstärkt durch
die zusätzliche
thermische Ausdehnung der zur Herstellung der Zahnradtriebe eingesetzten,
häufig
unterschiedlichen Werkstoffe auf. So können bereits beim Warmlaufen
eines Verbrennungsmotors akustische Geräusche aufgrund des thermisch
bedingten Zahnflankenspiels auftreten. Abgesehen von den unangenehmen
Laufgeräuschen
unterliegen Zahnradtriebe mit großen Zahnflankenspiel einem
erhöhten
Verschleiß,
der die Standzeit eines Verbrennungsmotors wesentlich beeinträchtigen
kann.
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Zahnradtriebe, bei denen das Zahnflankenspiel
vermindert bzw. ausgeglichen werden kann, sind bekannt. Beispielsweise
wird zu diesem Zweck ein Zahnrad aus zwei Zahnradscheiben eingesetzt, die
mittels einer zwischen den beiden Zahnradscheiben angeord neten Feder
gegeneinander vorgespannt sind. Kämmt ein solches Zahnrad mit
einem anderen Zahnrad, so gelangen die Zähne der Zahnradscheiben jeweils
gemeinsam in eine Zahnlücke des
anderen Zahnrads und gleichen durch die Federvorspannung ein vorhandenes
Zahnflankenspiel aus. Treten gegensinnige Drehmomente auf, so werden diese
ohne Zahnflankenspiel mittels der federverspannten Zahnradteile übertragen.
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Nachteilig bei einem solchen Zahnradtrieb
ist jedoch, dass die Federkonstante der die Zahnradscheiben verspannenden
Feder, insbesondere für den
Fall des Auftretens von starken Gegenmomenten, groß sein muss.
Eine große
Federkonstante bedingt jedoch eine hohe Reibleistung des Zahnradtriebs,
so dass bei einem solchen Zahnradtrieb mit einer Standzeitverkürzung durch
Verschleiß zu
rechnen ist. Jedenfalls sind die ohne Zahnflankenspiel übertragbaren
Wechselmomente in ihrer Größe beschränkt. Treten
große
Gegenmomente, beispielsweise in Form von Laufungleichförmigkeiten
oder Stößen auf,
so ist ein Flankenspielausgleich im allgemeinen nicht mehr gewährleistet.
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Bei einer anderen bekannten Lösung werden die
Zähne der
miteinander kämmenden
Zahnräder durch
eine zwischenliegenden Gummilage entkoppelt. Ein solcher Zahnradtrieb
birgt jedoch im wesentlichen die gleichen Nachteile, wie der bereits
der oben geschilderte Zahnradtrieb, nämlich eine erhöhte Reibleistung
bei nur beschränkt übertragbaren Wechselmomenten,
und letztendlich Standzeitprobleme durch erhöhten Verschleiß.
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Es ist also wünschenswert über einen
Zahnradtrieb zu verfügen,
bei dem das Zahnflankenspiel auch beim Auftreten sehr hoher Gegenmomente ausgeglichen
wird, ohne dass ein verstärkter
Verschleiß durch
eine erhöhte
Reibleistung des Zahnradtriebs in Kauf genommen werden muss.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 3901076 A1 beschreibt
eine Einrichtung zum Zahnspielausgleich von zwei miteinander kämmenden Zahnrädern, bei
welcher einem der Zahnräder
eine Zahnscheibe parallel geschaltet ist und mittels eines hydraulischen
Verstellelements bis zur Anlage an den nicht kraftübertragenden
Zahnflanken des Gegenzahnrades hydraulisch verstellbar gehalten
ist. Ein Rückschlagventil
dient zum Auffangen von Gegenmoment. Bei dieser Einrichtung zum
Zahnspiel-Ausgleich ist das hydraulische Verstellelement extern
an dem mit der Zahnscheibe zusammenwirkenden Zahnrad befestigt.
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Das US-Patent Nr.
4,739,670 beschreibt eine Vorrichtung
zum Zahnspielausgleich, bei welcher ein Zahnrad, welches mit einem
anderen Zahnrad kämmt,
aus zwei Zahnradscheiben zusammengesetzt ist, die durch drei in
Umfangsrichtung angeordnete Federn zum Zwecke des Zahnspielausgleichs
gegeneinander verspannt werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Zahnradtrieb mit einem
Zahnrad aus zwei Zahnradscheiben, die bezüglich ihrer Drehachse gegeneinander
verspannt sind, und wenigstens einem kämmenden Gegenrad, für den selbsttätigen Ausgleich
eines beim kämmenden
Eingriff vorhandenen Zahnflankenspiels gezeigt, bei welchem die
Zahnradscheiben durch wenigstens eine mit einem Rückschlagventil
bestückte
hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit gegenseitig abgestützt sind,
deren Kolben mit einer ersten Zahnradscheibe derart zusammenwirkt,
dass bei dessen Betätigung die
andere, zweite Zahnradscheibe mit der in Drehrichtung nachlaufenden
Zahnflanke zur Anlage am Gegenrad gelangt, und sich dadurch auszeichnet, dass
die wenigstens eine hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit integral mit der ersten
Zahnradscheibe ausgebildet ist. Hierbei wird eine Rückbewegung
des Kolbens unter der Einwirkung von der Drehrichtung entgegen wirkenden
Momenten durch das Rückschlagsventil
verhindert.
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Kämmt
das Zahnrad aus zwei Zahnradscheiben mit dem Gegenrad, so greifen
jeweils wenigstens ein Zahn der Zahnradscheiben in eine Zahnlücke des Gegenrads.
Eine durch die Verspannung bewirkte Verdrehung der beiden Zahnradscheiben
gegeneinander, erfolgt deshalb nur solange, bis die Zähne der beiden
Zahnradscheiben zur Anlage mit Kraft gegen die Flanken der Zahnlücke gelangen.
Die Verspannung der beiden Zahnradscheiben erfolgt durch die Kolbenkraft
des über
ein hydraulisches Druckmedium betätigten Kolbens der Kolben-Zylinder-Einheit. Tritt
ein Gegenmoment auf, so wird eine damit verbundene Rückbewegung
des Kolbens durch das Rückschlagsventil
verhindert und das Gegen moment wird mittels der verspannten Zahnradscheiben
ohne Flankenspiel übertragen.
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Besonders vorteilhaft ist hierbei,
dass die Größe eines
durch den erfindungsgemäßen Zahnradtrieb
ohne Flankenspiel zu übertragenden
Gegenmoments einzig durch das Rückschlagsventil
beschränkt
ist. Zudem genügt
es, dass die Zahnflanken der Zahnradscheiben den Flanken der Zahnlücken des
Gegenrads mit einer zur Erzeugung einer gegensinnigen Flankenberührung ausreichenden
Kraft aufliegen. Es ist also im Unterschied zum Stand der Technik
nicht erforderlich, dass die jeweiligen Flanken mit einer zur flankenspiellosen Übertragung
von großen
Gegenmomenten ausreichenden Kraft aufliegen. Darüber hinaus kann die Kolbenkraft über das hydraulische
Druckmedium reguliert werden.
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Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt
in besonders vorteilhafter Weise durch die Verspannung der beiden
Zahnradscheiben stets ein selbsttätiger Ausgleich eine vorhandenen
Zahnflankenspiels. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn sich das
Zahnflankenspiel mit der Zeit ändert,
beispielsweise durch thermische Ausdehnung oder verschleißbedingten Abrieb.
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Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn
bei einer Zahnradscheibe ("Hauptrad") die in Axialenrichtung
des Zahnrads bestimmte Breite der Zähne größer als jene der anderen Zahnradscheibe
("Ausgleichsrad") ist. Das Hauptrad
dient hierbei als treibende oder getriebene Zahnradscheibe. Das
Ausgleichsrad dient zum Ausgleich des Zahnflankenspiels und zur
flankenspiellosen Übertragung
von Gegenmomenten.
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Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
genauer erläutert,
wobei Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen genommen wird. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Radialschnitt durch ein Zahnrad mit zwei verspannten
Zahnradscheiben auf einer Welle entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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2 einen
schematischen Axialschnitt durch ein Zahnrad auf einer Welle gemäß 1;
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3 einen
schematischen Radial- und Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zahnradtrieb,
wobei das Verhältnis
der axialen Breiten der Zähne
der verspannten Zahnradscheiben ungefähr 3:1 beträgt;
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4 einen
schematischen Radial- und Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zahnradtrieb
mit einem Zahnrad aus zwei verspannten Zahnradscheiben als Mittelrad,
wobei das Verhältnis
der axialen Breiten der Zähne
der Zahnradscheiben ungefähr
1:1 beträgt;
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Zunächst seien 1 und 2 betrachtet. 1 zeigt einen Radialschnitt
durch ein Zahnrad mit zwei verspannten Zahnradscheiben auf einer
Welle; 2 zeigt einen
Axialschnitt davon. Das Zahnrad setzt sich aus zwei Zahnradscheiben 1, 2 zusammen. Nur
eine Zahnradscheibe 1 ("Hauptrad") sitzt der Welle 3 drehfest
auf, während
die andere Zahnradscheibe 2 ("Ausgleichsrad") in einer Aussparung der der Welle 3 aufsitzenden
Zahnradscheibe 1 angeordnet ist. Zahnradscheibe 1 und
Zahnradscheibe 2 können
relativ zueinander verdreht werden.
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Das Hauptrad 1 ist an seinem äußeren Umfang
mit einer Zahnung 10 versehen, während das Ausgleichsrad 2 an
seinem äußeren Umfang über die Zahnung 11 verfügt. Gemeinsam
ergeben die Zahnungen 10, 11 der Zahnradscheiben 1, 2 die
Zahnung des Zahnrads.
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In jeweiligen Aussparungen des der
Welle 3 drehfest aufsitzenden Hauptrads 1 sind
in Umfangsrichtung, mit etwa gleichem Winkelabstand, drei Kolben-Zylinder-Einheiten 5 angeordnet.
Jeder Kolben 6 einer Kolben-Zylinder-Einheit 5 wirkt
derart auf das Hauptrad 1, dass bei dessen Betätigung das
Ausgleichsrad 2 mit der in Drehrichtung nachlaufenden Zahnflanke
zur Anlage am Gegenrad gelangt.
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Ein Betätigung eines Kolbens 6 erfolgt
mittels eines hydraulischen Druckmediums. Die bei der gegensinnigen
Flankenberührung
ausgeübte
Kraft hängt
von der Kolbenkraft der hydraulischen Kolben-Zylinder-Einheiten 5 ab.
Diese kann über
das hydraulische Druckmedium zur Betätigung der Kolben 6 reguliert
werden.
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Innerhalb eines Zahnradtriebs werden Hauptantriebs-
oder Abtriebsmomente unmittelbar über das der Welle 3 drehfest
aufsitzende Hauptrad 1 und dessen Zahnung 10 auf
das Gegenrad übertragen.
Durch die Verspannung von Hauptrad 1 und Ausgleichsrad 2 innerhalb
der Zahnlücken
des Gegenrads werden auch Gegenmomente ohne Zahnflankenspiel übertragen.
Eine Blockierung der verspannten Zahnradscheiben 1, 2 unter
der Einwirkung von auftretenden Gegenmomenten wird durch die Rückschlagsventile 7 erreicht.
Eine Rückbewegung der
Kolben 6 wird unabhängig
von der Größe der Gegenmomente
verhindert. Die Größe der flankenspiellos übertragbaren
Gegenmomente ist einzig durch die Durchschlagsfestigkeit der Rückschlagsventile 7 begrenzt.
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Zur Versorgung der Kolben-Zylinder-Einheiten 5 mit
einem hydraulischen Druckmedium ist die Welle 3 mit einem
axialen Zuführkanal 8 versehen, welcher
auf Höhe
des Zahnradteils 1 in eine Ringnut 9 mündet. Die
Ringnut 9 ist strömungsleitend
mit innerhalb des Zahnradteils 1 vorgesehenen Zuführkanälen 12 verbunden,
durch welche das hydraulische Druckmedium schließlich den Kolben-Zylinder-Einheiten 5 zugeführt wird.
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Es sei nun 3 betrachtet, in welcher in schematischer
Weise ein Zahnradtrieb mit einem Zahnrad, bestehend aus Hauptrad 1 und
Ausgleichsrad 2 (in der Zeichnung links), sowie einem Gegenrad 4 dargestellt
ist. Die untere Darstellung zeigt einen Radialschnitt, während die
obige Darstellung einen Axialschnitt zeigt. Bei der gezeigten Ausführungsform
ist die in axialer Richtung des Zahnrads bestimmte Breite der Zahnung 10 von
Hauptrad 1 und der Zahnung 11 von Ausgleichsrad 2 derart
gewählt, dass
deren Verhältnis
etwa 3:1 beträgt.
Die bei dem gewöhnlichen
Einsatz des Zahnradtriebs auftretenden Hauptmomente werden hierbei über das
einer Welle drehfest aufsitzende Hauptrad 1 mit der breiteren
Zahnung 10 auf das Gegenrad 4 übertragen. Treten Gegenmomente
auf, so werden diese über
das Ausgleichsrad mit der Zahnung 11 geringerer Breite flankenspiellos übertragen.
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Schließlich zeigt 4 den Einsatz eines Zahnrads mit zwei
verspannten Zahnradscheiben als Mittelrad, welches mit zwei Gegenrädern 4, 4' kämmt. Die
Breite der Zahnung 10 von Hauptrad 1 und Zahnung 11 von
Ausgleichsrad 2 ist etwa gleich groß. Wegen der ungefähr gleichen
Breite der Zahnungen 10, 11 ist der in 4 gezeigte Zahntrieb zur Übertragung
von in der Drehrichtung sich ändernden Wechselmomenten
geeignet.
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Obgleich die Erfindung anhand eines
stirnverzahnten Zahnradtriebs beispielhaft dargestellt wurde, ist
sie hierauf nicht beschränkt.
Vielmehr bezieht sich die Erfindung auf Zahnradtriebe mit Stirn-, Schräg-, Pfeil-
oder Kegelverzahnung, ebenso auf Zahnstangentriebe, und ganz allgemein
auf Zahnradtriebe, in denen mindestens eines der verzahnten Elemente
drehfest auf einer Welle gelagert ist.
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Bei dem erfindungsgemäße Zahnradtrieb kann
das Zahnrad aus zwei verspannten Zahnradscheiben als Antriebs- oder
Abtriebsrad verwendet werden. Als Antriebsrad sitzt es beispielsweise
der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors auf. Ferner ist auch die
Verwendung als ein ohne Last mitlaufendes Loserad vorgesehen.
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Ein erfindungsgemäßer Zahnradtrieb kann beispielsweise
zum Antrieb der Ölpumpe
oder Ventile einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden.