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Die Erfindung betrifft eine Zahnkupplung mit einer innenverzahnten
Muffe aus Stahl, die eine Nabe umgibt, die mit einer der Innenverzahnung entsprechenden
Anzahl von Zähnen versehen ist, deren Flanken durch eine hyperbolische Kurve bestimmt
sind.
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Zahnkupplungen, bei denen allein durch die Zahnform Änderungen in
der Ausrichtung der Kupplungswellen ausgeglichen und toter Gang verhindert werden
soll, sind in verschiedensten Formen bekannt. Für diesen Zweck hat man vorgeschlagen,
die Zahnflanken durch eine Kegelschnittkurve oder eine Zykloide zu bestimmen oder
einen konstanten Krümmungsradius aufweisende Zähne zum Erzeugen von Spiel mit Abfassungen
oder Abschrägungen zu versehen.
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Ferner sind Zahnkupplungen mit konventioneller Verzahnung bekannt,
bei denen die zum Ausgleichen von Ausrichtungsänderungen der Kupplungswellen erforderliche
Flexibilität der Kupplung durch eine flexible Ausbildung der Muffe erreicht wird,
indem man den Querschnitt der Muffe zwischen ihren mit den Kupplungsnaben in Eingriff
befindlichen verzahnten Abschnitten verringert.
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Der Erfinder hat erkannt, daß eine weitere wesentliche Verbesserung
der Flexibilität einer Zahnkupplung sich durch das Zusammenwirken von besonders
ausgebildeten Zähnen einer Nabe mit einer besonders ausgebildeten Muffe erzielen
läßt.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Teilungslinie
der Zähne durch eine weitere hyperbolische Kurve bestimmt ist, die zusammen mit
der ersten hyperbolischen Kurve die Zahnkopf- und Fußhöhe so festlegt, daß der Schnittpunkt
der beiden Kurven außerhalb der Verzahnung liegt, und daß zumindest die Muffe der
Kupplung, wie an sich bekannt, einen ihr Durchbiegen innerhalb der Elastizitätsgrenze
gestattenden Querschnitt hat, so daß sie beim Zahneingriff unter Last entlang des
Umfangs eine sich kontinuierlich ändernde ovale Form einnehmen kann.
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Bei dieser Ausbildung der Kupplung vergrößert das Durchbiegen der
Muffe die Flankenberührung der miteinander in Eingriff stehenden Zähne, wodurch
der Wirkungsgrad der Kraftübertragung erhöht und eine Übertragung größerer Kräfte
für eine gegebene Kupplungsgröße möglich wird. Sowohl der innenverzahnte als auch
der außenverzahnte Kupplungsteil können sich dabei durchbiegen. Falls beide außenverzahnten
Naben gleich ausgebildet sind, können sich an beiden Kupplungsenden beide Kupplungsteile
durchbiegen, so daß zur Übertragung von Belastungen bei abgewinkelten Wellen alle
Zähne zur Verfügung stehen.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
beschrieben. Dabei zeigt F i g. 1 eine in vergrößertem Maßstab gezeigte Schnittansicht
eines hyperbolisch ausgebildeten Zahns der Außenverzahnung einer Kupplungsnabe,
F i g. 2 eine vergrößerte schematische Schnittansieht von Zähnen der in F
i g. 1 gezeigten Art mit unterschiedlichem seitlichen Eingriffsspiel, F i
g. 3 eine im vergrößerten Maßstab gezeigte Ansicht eines in seiner Längsrichtung
geschnittenen Zahns für die Außenverzahnung, bei welcher die Teilbahn des Zahns
hyperbolisch und seine Kopflinie kreisbogenförmig ausgebildet ist, F i
g. 4 eine Schnittansicht einer Zahnkupplung, bei der sowohl die innenverzahnten
als auch die außenverzahnten Kupplungsteile an beiden Enden der Kupplung flexibel
ausgebildet sind, F i g. 5 eine schematische Ansicht einer aus dem Vollen
gearbeiteten, außenverzahnten Kupplungsnabe, die mit der Innenverzahnung einer Buchse
in Eingriff steht, die eine elliptische Form angenommen hat, F i g. 6 die
gleiche Ansicht wie F i g. 5, bei der die außenverzahnte Nabe aus einem auf
eine Welle aufgesetzten Zahnkranz besteht, und F i g. 7 und 8 schematische
Darstellungen der Zahnform.
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In den F i g. 1 bis 3 ist die Zahnform der Zähne
38, 38' einer Nabe 34 gezeigt, die mit der Innenverzahnung einer Muffe, beispielsweise
der in F i g. 4 gezeigten Muffe oder Buchse 55 bzw. der in den F i
g. 5 und 6 gezeigten Muffen 24 und 60 der Zahnkupplung, im
Eingriff stehen.
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Wie schematisch in F i g. 1 gezeigt, folgt die Teilungslinie
40 der Zähne einer Hyperbel. Die Kopflinie 41 und die Fußlinie 42 der Flanken der
Zähne 38 haben im wesentlichen den gleichen Abstand von der hyperbolischen
Teilungslinie 40 entlang der Zahnflanke. Die hyperbolische Teilungslinie 40 stellt
also einen Ast der Hyperbel für jede Zahnflanke dar. Die Brennpunkte der Hyperbeln
liegen innerhalb der mit Außenverzahnung versehenen Nabe. Wenn man diese Zahnform
als vollwandigen Körper ansieht, könnte sie als ein umgekehrtes Hyperboloid bezeichnet
werden, da die Zähne konvex und nicht konkav sind. Nichtsdestoweniger kann diese
Zahnform durch Abwalzfräsen hergestellt werden. Bei der in F i g. 3
gezeigten
Zahnform sind die Zähne 43 ebenfalls entlang einer Teilungslinie 44 erzeugt. Der
Kopf der Zähne wird entlang der gleichen Kurve geschnitten und geformt, wobei die
Fußlinie 45 erzeugt wird, die gleichbleibenden Abstand von der hyperbolischen Teilungslinie
44 hat. Der Kopf 46 dieser Zahnform folgt einem Radius, der sich ergibt, wenn man
die Zahnköpfe entlang einer Kugelfläche verkleinern würde, deren Radius so gewählt
ist, daß wenigstens die Enden der Zähne 43 sich der gestrichelt eingezeichneten
hyperbolischen Linie 47 annähern, die im gleichbleibenden Abstand von der hyperbolischen
Teilungslinie 44 verläuft.
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Die Form der in den F i g. 1 und 3 gezeigten Zähne für
die Kupplungsnaben 34 ist natürlich so ausgebildet, daß sie richtig mit den Evolventenzähnen
der Muffe in Eingriff stehen, wenn die Muffenachse konzentrisch zum Zahnkranz der
Kupplungsnabe angeordnet ist. Dieser Zahnform können die Evolventenzähne, beispielsweise
den Zähnen 25 in F i g. 4, größenmäßig und ihrer Form nach angepaßt
sein. Diese von einer Hyperbel hergeleitete Zahnform arbeitet bei verschiedenen
Einstellwinkeln der flexiblen Kupplung und den dabei zwischen den Zähnen der Innen-
und Außenverzahnung auftretenden Beanspruchungen einwandfrei. Die Zähne
38 und 43 sind so geformt, daß sie bei verschiedenen Winkelstellungen der
Kupplungswelle Eingriffsfehler zwischen der ußen- und Innenverzahnung auf ein Minimum
verringern. Durch dieses Merkmal und durch die Elastizität des Stahls oder anderen
Materials, aus dem die Muffen hergestellt sind, wird der Eingriff der Zähne verbessert,
wenn sie unter einem Winkel zur Muffe angeordnet sind. Die verbesserte Wirkung dieser
flexiblen
Kupplung beruht auf dem Zusammenwirken dieser beiden Merkmale. Die hyperbelförmige
Krümmung der Teilungslinie der Nabenzähne und die innerhalb der Elastizitätsgrenze
des Stahls liegende Flexibilität der Buchsen bewirken einen flächenmäßig größeren
und auch stärkeren Eingriff der Zähne und ermöglichen es, daß mehr Zähne an der
übertragung der Belastung teilnehmen.
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Diese Zähne können mittels eines W4lzfräswerkzeuges hergestellt werden,
das das gewünschte Zahnprofil erzeugt, wobei der Abstand zwischen Werkzeug und Zahnrad
so gesteuert wird, daß das Werkzeug entlang einer hyperbolischen Bahn schneidet,
wenn es sich an dem sich drehenden Zahnrad zur Erzeugung eines Evolventenzahnprofils
vorbeibewegf. Das Werkzeug erzeugt dabei ein umgekehrtes Hyperboloid, dessen Form
entlang seiner Teilungslinie es ermöglicht, daß es mit dem Teilungsdurchmesser des
Werkzeuges entlang dessen Teilbahn in Eingriff ist. Dabei können Fehler in der Abwälzvolvente
durch Verwendung von Werkzeugen mit großem Durchmesser oder durch Verwendung von
Spezialwerkzeugen korrigiert werden.
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Auf diese Weise können Zähne mit gröberer Teilung verwendet werden,
was einen geometrisch besseren Kontakt zwischen den Zähnen möglich macht. Das Biegen
der Muffen innerhalb ihrer Elastizitätsgrenze gestattet es, daß ein größeres Drehmoment
über die elastische Zahnkupplung übertragen werden kann. Abgesehen davon, daß sie
größere Belastungen übertragen kann, bewirkt die neue flexible Zahnkupplung, daß
im Betrieb die Belastungen weicher auf die Zähne übertragen werden, wenn diese sich
in die sich diametral gegenüberliegenden Lastübertragungszonen hinein und aus diesen
heraus bewegen.
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Die hyperbolische Krümmung der Zahnflanken nimmt zu, wenn der Zahnflankeneingriffswinkel
der Evolventenerzeugenden größer wird. Sie hat bei einem Eingriffswinkel von
30' eine größere Krümmung als bei 20'. Bei einem Winkel von 45' wird die
hyperbolische Form der Bewegungsbahn des Werkzeuges auf die Flanken der Zähne angenähert
übertragen. Durch die Vergrößerung des Eingriffswinkels wird nicht nur ein Arbeiten
der Kupplung bei größeren Winkelabweichungen der Wellen für eine bestimmte umgekehrt
hyperbolische Erzeugende ermöglicht, sondern es treten auch größere, einander diametral
entgegengerichtete resultierende Kräfte auf, die die Muffe zu verforinen und ihr
zur besseren Verteilung der Belastung auf die Zähne eine ovale Form zu geben suchen.
Dabei verformt sich die Muffe, während ihre Zähne ihre Form im wesentlichen beibehalten.
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Die F i g. 2 zeigt einen Eingriffswinkel von 45' zur Erzeugung
des Spiels zwischen den Zähnen der Nabe und der Innenverzahnung der Muffe. Dabei
bildet in der rechtwinklig zur Achse der Kupplungswelle verlaufenden, auch in F
i g. 1 und 2 gezeigten Ebene 48 der mittlere Teil jedes Zahns die Mitte der
Hyperbel.
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Bei der in F i g. 4 im einzelnen gezeigten Ausführungsform
einer Zahnkupplung ist die Muffe 55
mit zwei gleichen inneren Evolventenverzahnungen
25 und 25' versehen. Diese symmetrisch ausgebildete Muffe
55, die eine mittlere ringfönnige Ausnehmung 61 aufweist, biegt sich,
wenn Belastungen zwischen den Verzahnungen 25 und 25' und den mit
ihnen in Eingriff befindlichen Verzahnungen 38 und 38' der auf den
Kupplungswellen 1 und 2 mittels Paßfedern 35 befestigten Zahnräder
77 übertragen werden. Die Zähne der Verzahnungen 38 und
38' sind gekrümmt und folgen einer hyperbolischen Kurve. Beide Zahnräder
77 sind an den äußeren Enden von ringförmigen, flexiblen Körpern
76 angeordnet, die Vorsprünge der auf den Wellen 1 und 2 sitzenden
Naben 70 sind. Diese ringförmigen Körper 76 können sich so durchbiegen,
daß die Zahnräder 77 (s. auch F i g. 6) eine ovalartige Form annehmen,
und zwar zusammen mit den Verzahnungen 25 und 25' der Muffe
55, die sich ebenfalls oval verbiegt, wenn die miteinander in Eingriff befindlichen
außen- und innenverzahnten Kupplungsteile unter einem Winkel verlaufen. Auf diese
Weise werden alle Zähne am Umfang der miteinander kämmenden Verzahnungen einen guten
Eingriff haben. Da beide der in Eingriff stehenden verzahnten Kupplungsteile flexibel
abgestützt sind, haben alle Zähne auch bei leichteren Belastungen volle Eingriffsberührung.
Die flexiblen Kupplungsteile 77 und 55 biegen sich daher beim übertragen
von Belastungen bei allen Drehzahlen auf Grund einer Schrägstellung ihrer Achsen
kontinuierlich durch. Die hierfür erforderliche Biegsamkeit bzw. Flexibilität des
vorzugsweise aus Stahl bestehenden Werkstoffs liegt aber noch innerhalb der Elastizitätsgrenze
und wirkt sich, da innerhalb dieser Grenze der Werkstoff nicht kristallisiert, nicht
nachteilig aus. Natürlich müssen bei der Auslegung der Kupplung bezüglich der Querschnittsgröße
der sich biegenden Teile auch die Belastung im Betrieb und die Größe der im Betrieb
auftretenden winkelmäßigen Abweichungen neben der Auswahl des Werkstoffes berücksichtigt
werden. Da sie nicht aus einem Elastomer, sondern aus Stahl bestehen, ändern die
die Belastung übertragenden Zähne ihre Form im Betrieb nicht bzw. biegen sich nicht
durch. Dies tun nur die die Verzahnungen tragenden Körper, wie die Muffe
55 und die in F i g. 5 und 6 gezeigten Muffen 24 und
60, sowie die Zahnräder 77.
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Bei der in F i g. 4 gezeigten AusführungsforTn sind beide Außenverzahnungen
38, 38' hyperbolisch ausgebildet. Gute Ergebnisse lassen sich aber auch bei
Kupplungen erzielen, bei denen nur eine der Naben eine hyperbolische Verzahnung
hat.
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Die F i g. 5 zeigt eine Kupplung mit einer mit der Kupplungswelle
aus einem Stück bestehenden, mit Zähnen 38 versehenen Nabe 34 und einer Muffe
24, während F i g. 6 eine Kupplung mit einer mit einem verzahnten Kupplungsteil
77 nach Art der F i g. 4 verschenen Nabe zeigt. Die Kupplungen sind
in ihrem durch ein Drehmoment belasteten Zustand gezeigt, in dem in F i
g. 5 nur die Muffe und in F i g. 6 sowohl die Muffe als auch die Nabe
elliptisch gebogen ist bzw. sind. In beiden Figuren zeigen die voll ausgezogenen
Linien die elliptische Form der unter Belastung verformten Teile und die gestrichelten
Linien die normale kreisrunde Form dieser Teile im unbelasteten Zustand.
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Die hyperbolische Nabenverzahnung ist in den F i g. 7 und
8 in vier verschiedenen Ansichten bzw. Schnittansichten gezeigt, von denen
F i g. 7 einen Zahn in perspektivischer Ansicht darstellt und die F i
g. 8 ein Schnitt 8-8 der F i g. 7 ist.
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In F i g. 7 ist die die Flanken der Zähne bestimmende hyperbolische
Kurve mit A bezeichnet. Ein durch diese Kurve gelegter Schnitt entspricht
der Ansicht gemäß F i g. 2. Diese Kurve schneidet den Teilkreis
C in der Schnittebene 8-8. Die hyperbolisch
ausgebildete
Teilungslinie ist mit 40, 44 bezeichnet. F i g. 8 zeigt das Evolventenprofil
des Zahns und den Eingriffswinkel a.