DE1805911A1

DE1805911A1 - Spielfreie Getriebevorrichtung

Info

Publication number: DE1805911A1
Application number: DE19681805911
Authority: DE
Inventors: Pedigo Roy Buford; Doolittle Carl James
Original assignee: General Precision Systems Inc
Current assignee: General Precision Systems Inc
Priority date: 1967-10-30
Filing date: 1968-10-29
Publication date: 1969-05-14
Also published as: US3472092A; GB1212619A; FR1592601A

Description

GEHERAl PRECISION SYSTEMS INC., Glendale, California, USA

Spielfreie Ge trie be Vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich, auf Getriebe und betrifft insbesondere ein neu gestaltetes Getrieberad zur Eliminierung oder Verkleinerung des Spieles sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rades.

Um den toten Gang in Getrieben zu verkleinern oder auszuschalten und somit das Problem des Getriebespiels zu lösen, sind bereits zahlreiche Maßnahmen vorgeschlagen worden. So wird z. Bo in der USA-Patentschrift Nr. 2 764 034 nahegelegt, schräg verzahnte Getrieberäder zu verwenden, deren Zähne hinterschnitten und einzeln verformbar sind. In den USA-Patentschriften Nr₀

2 845 809 und Nr. 3 174 356 wird die Verwendung vorbelasteter Getrieberäder vorgeschlagen, und in der USA-Patentschrift Nr.

3 122 938 ist zu dem gleichen Zweck ein Zahnrad beschrieben, welches einen verformbaren flexiblen Zwischenteil enthält, der eine starre Nabe und einen starren Radkranz mit ebenfalls starren Zähnen miteinander verbindet. Gemäß der USA-Patentschrift Nr.3213704 kann auch ein kegelstumpfförmiges bzw. napfgezogenes Zahnrad verwendet werden, welches aus dünnem elastischem Blattmaterial hergestellt ist und am Umfang flache Evolventenzähne aufweist, die durch den Druck beim Eingriff mit den Zähnen eines anderen Rades verformt und in radialer Richtung verbogen werden. Obwohl jede dieser Maßnahmen zu einem Portschritt in der Getriebetechnik bei-

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getragen hat, vertraut man hierbei immer noch auf Dinge wie beispielsweise Schrägverzahnung und Torsionsbelastung mit ihren nachteiligen Auswirkungen auf die Fähigkeit zur Drehkraftübertragung und die lebensdauer des Getriebes. Auch nimmt man die Einschränkungen in Kauf, die man bei der Verwendung von dünnen Materialien oder bei solchen Gestaltungen machen muß, die nicht mittels der herkömmlichen Schneidtechnik erreicht werden können.

Hier soll mit der vorliegenden Erfindung Abhilfe geschaffen werden, indem das Getriebespiel durch Verwendung elastischen

" Materials, welches auf den "Zahneingriff eine Federwirkung ausübt, in Grenzen gehalten wird. In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Mittelstück aus elastischem Material einstückig zwischen einer Nabe und einem ringförmigen Radkranz eingeformt. Der Radkranz ist an der äußeren Peripherie kegelstumpfartig abgeschrägt und mit Zähnen versehen, die mit anliegenden Zahnrädern derart zusammenwirken, daß sowohl der Radkranz als auch das Mittelstück an der Eingriffsstelle elastisch verformt wird. Um die Steifigkeit des Mittelstückes einzustellen, sind Kontrollscheiben vorgesehen, die entweder jeweils gesondert wie Unterlagsscheiben angeordnet sein können oder die einen Teil der Radnabe bilden. Das Winkelmaß, in dem die Fläche des Zahnradrohlings/abgeschrägt ist, die Dicke des Mittelstückes, die Größe der unbehinderten Ausdehnung des Mittelstückes und das ausgewählte Material tragen zur Spielfreiheit und Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Getriebes bei.

Das Prinzip der Erfindung ist gemäß einer anderen Ausführungsform auf ein Zahnstangengetriebe angewandt, wobei der _ verzahnte Rand und die Zähne schräg zur Ebene des Mittelstückes liegen, um mit einem Ritzel zusammenzuwirken. Diese Anordnung funktioniert analog den zuvor beschriebenen drehbaren .Getriebeteilen. Bei der Ausführungsform mit Zahnstange sind die Kontrollglieder zur Einstellung der Steifigkeit des Mittelstückes als Klemmplatten und/oder als Teile der Haltevorrichtung für die

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Zahnstange ausgebildet, wobei die Klemmplatten auf dem Mittelstück angeformt sein können.

Die Erfindung betrifft ferner die Herstellung eines spielfreien G-etriebes. Gemäß einer für Rädergetriebe geeigneten Ausgestaltung eines entsprechenden Verfahrens wird ein Zahnradrohling hergestellt, der ein relativ dünnes Mittelstück und einen äußeren Kranz mit kegelstumpfförmiger Mantelfläche aufweist. Das Mittelstück wird durch eine geeignete Vorrichtung,beispielsweise ein geflanschtes napfähnliches Glied, in axialer Richtung gebogen und in diesem gebogenen Zustand von einer Fräsmaschine geschnitten. Wenn die geflanschte Einspannvorrichtung weggenommen wird, kehrt das nunmehr gefräste Zahnrad in seine ursprüngliche scheibenförmige Gestalt zurück, wobei die Verzahnung am äußeren Umfang des Kranzes eine kegelstumpfförmige Mantelfläche annimmt. In analoger Weise läßt sich auch eine entsprechende Zahnstange herstellen.

Gemäß einem anderen erfindungsgemäßen Verfahren wird ein flacher oder ebener Zahnradrohling an einem geeigneten Halter befestigt, wobei jedoch die Biegevorrichtung fortbleibt und die Zähne in einem Winkel zur Umfangsflache des Radkranzes geschnitten werden. Es ist hierbei nicht nötig, das Mittelstück zu verbiegen. Auf die gleiche Art kann auch eine Zahnstange hergestellt werden.

Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein spielfreies Getriebe zu vermitteln, welches einmal fähig zur Drehkraftübertragung und zum anderen gegenüber Verschleißeinflüsse widerstandsfähig ist. Gemäß einem weiteren Ziel der Erfindung soll die Spielfreiheit auch bei den weiten Toleranzgrenzen erhalten bleiben, die aus der Anhäufung von Toleranzen bei der Herstellung und beim Zusammenbau, bei Abnützung, thermischen Veränderungen und anderen auf die Abmessungen wirkenden Einflüssen entstehen.

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Die erfindungsgemäße Getriebeanordnung soll außerdem eine einfache Form aufweisen, und sie soll leicht und wirtschaftlich durch die Anwendung gewöhnlicher Fräs- oder anderer Verfahren herzustellen sein. Erfindungsgegenstand ist weiterhin eine Methode, mit welcher ein spielfreies Getriebeelement mit besonderer Gestalt mittels herkömmlicher Frästechniken hergestellt werden kanne

Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und anhand der Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung einer erfindungsgemäßen Getriebeanordnung mit teilweisen Schnitt- und Bruchansichten;

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht und teilweisem Schnitt eine andere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Getrieberades, bei welchem die haltende Nabe einstückig geformt ist;

Fig. 3 zeigt im Schnitt einen für die Fräsung eingespannten Zahnradrohling, aus dem das in Fig. 1 enthaltene Zahnrad geformt wird;

Fig. 4 veranschaulicht in schematischer Darstellung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Zahnrades in einem Planetenge- _ triebe;

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie V-V der Fig. 4 und

Fig. 6 veranschaulicht in perspektivischer und auseinandergezogener Darstellung die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips bei einer Zahnstange, wobei auch das Element zur Verformung des elastischen Teils während des Zahnschneidevorgangs gezeigt ist.

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In den Zeichnungen sind gleiche bzw· einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Ausgestaltung der Erfindung nach der 3?ig. 1 enthält ein Zahnrad 10, welches ein elastisches Mittelstüok 12 aufweist und einen kegelstumpf förmigen Kranz 16 besitzt. Dieser Kranz ist mit Zähnen 18 ausgestattet, deren Kanten 20 in einem Winkel *, zu der Achse A des Rades 10 geneigt sind. Das Mittelstück 12 ist einseitig an den inneren Rand des Kranzes 16 angeformt, wobei Mittelsliick oder Kranz oder beide Teile derart verformbar sind, daß sich beim Eingriff des Rades die Kanten 20 der Zähne 18 zu einer im wesentlichen zylindrischen Fläche ausrichten lassen. Das Mittelstück 12 kann auf eine Welle 22 mittels einer teilweise zerlegten Nabe gebracht werden, die an der Welle befestigt und gesichert werden kanne Die Habe 24 besitzt einen flansch 26, der mit dem Zahnrad starr zu verbinden ist, indem ein Stift 25 durch jeweils in dem Plansch und dem Mittelstück 12 liegende Löcher 27 und 29 hindurchgeführt wird. Die Habe besitzt ferner eine Gewindemuffe 28, die von einer Kiemmutter 32 erfaßt und angezogen werden kann, um die Anordnung nach dem Aufbringen auf die Welle fest zu verklemmen. Sowohl der Flansch 26 als eine Scheibe 30 bestimmen die Steifigkeit des Mittelstückes 12 während des laufs des Zahnrades 10.

Fig. 2 zeigt ein anderes Zahnrad für spielfreien Lauf, welches insgesamt mit der Bezugsziffer 10' bezeichnet ist. Dieses Rad enthält ein elastisches Mittelstück 12', eine Befestigungsnabe 14» und einen federnden, ringförmigen Kranz 16^!, auf welchem sich die Verzahnung 18' befindet. Wie in der Anordnung nach der Fig. 1 hat auch hier der Kranz 16· eine kegelstumpfförmige Umfangsflache. Die äußeren Seiten 20' der Zähne 18' sind Teile der ursprünglichen Kegelstumpf -Außenfläche des Kranzes beim Zahnradrohling. Diese Seiten sind bezüglich der Zahnradachse A' um einen Winkel «c « geneigt» Das Mittelstück 12' ist am Umfang der Innenseite des Kran- _; zes 16' angeformt und kann sich, ähnlich wie die Ausführung nach der Fig₀ 1, derart verbiegen, daß sich die Zähne beim Eingriff parallel zur Achse A' ausrichten und die Umfangsflache im wesentlichen zylindrische Gestalt annimmt., Eine weitere Beschreibung die-

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ser Ausführungsform erübrigt sich, da in den verschiedenen Ausführung sformen der Erfindung diejenigen Teile, die die gleiche Funktion ausüben, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. So übernimmt der Plansch 26», obwohl er dem Rad einstückig angeformt ist, die gleiche Aufgabe wie der gesonderte Plansch 26 in der Ausführungsform nach der Pig. 1, nämlich die Festlegung der Steifigkeit des Mittelstüokes 12.

In der Pig. 3 ist ein Zahnradrohling 10'^f dargestellt, aus dem ein Rad ähnlich dem Zahnrad 10 der Pig. 1 hergestellt wird. Der Rohling 10·« hat ein elastisches Mittelstück 12" und einen elastischen ringförmigen Kranz 16·', der normalerweise außen kegelstumpfförmig, jedoch zum Zweoke der Fräsung zu einer im wesentlichen zylindrischen Gestaltung verformt ist« Diese Verformung wird herbeigeführt, indem der Rohling 10»· auf eine Welle 34 gebracht wird, wobei er zwischen eine im wesentlichen starre Verformungsscheibe 36 und eine Spannmutter 38 gespannt wird. Die Scheibe 36 hat einen ringförmigen Flansch 40, der sich in der Nähe des ringförmigen Kranzes gegen das Mittelstück 12'' legt, während die Mutter 38 gegen den zentralen Teil des Mittel-Stückes drückt. Die Scheibe 36 wird von einem Plansch 42 auf der Welle festgehalten, während die Mutter 38 auf der Welle in einem Gewinde 44 verschraubbar ist. Eine Nylonkugel 46 kann unter dem Druck einer Stellschraube die Mutter in jeder gewünschten Lage blockieren.

Um dem Rohling 10¹¹ die gewünschte Stellung zum Einschneiden der Zähne in den Radkranz 16'· zu geben, wird die Mutter 38 in Richtung der Scheibe 36 angezogen bis das Mittelstück 12»· von dem Ringflansch 40 soweit eingebogen ist, daß die äußere Umfangflache des Kranzes sich parallel zur Achse A" der Welle 34 ausgerichtet hat. In dieser Einstellung wird die Mutter festgelegt. Der Rohling wird dann mit einer Zahnschneidevorrichtung in Verbindung gebracht, die z.B. eine Fräse 50 sein kann. Auf diese Weise können Gerad- oder Schrägverzahnungen sowie Ver-

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zahnungen für Schneckenrad-, Kegelrad- und andere Getriebe auf eine in der einschlägigen Technik bekannte schnelle und herkömmliche Art in den Radkranz geschnitten werden. Es sei bemerkt, daß nach dem Sohneiden der Zähne und nach Wegnahme des fertiggestellten Eadee von der Welle das Mitte!stück mit dem Kranz zurückfedert und das Zahnrad dine Form wie das in Fig. 1 dargestellte Rad annimmt.

In Pig. 4 ist sohematisch ein Getriebesystem dargestellt, in welchem das spielfreie Zahnrad 10 nach der Fig. 1 verwendet wird· Dieses Rad befindet sioh im Eingriff mit mehreren herkömmlichen Zahnrädern 52, 54 und 56. Die Rotationsachse A des Rades 10· ist bezüglich der jeweiligen Achsen 52a, 54a und 56a der Kader 52, 54 und 56 bo angeordnet, daß an den Eingriffsstellen des Getrieberades 10 mit den Zähnen der anderen Räder der Radkranz 16 und der anliegende Bereich des Mittelstückes 12 gebogen wird und durch diesen Eingriff so verformt wird, daß die Außenränder der Zähne an den Eingriffsstellen im wesentlichen parallel verlaufen und auf einer zylindrischen Fläche liegen (vgl. Pig. 5). Die Bereiche um die Eingriffsstellen sind in der Zeichnung ausgezogen dargestellt und mit den Bezugszahlen 52m, 54m und 56m versehen. Es sei bemerkt, daß die Außenränder der Zähne des Rades 10 außerhalb der erwähnten Eingriffsbereiche die ursprüngliche kegelstumpfartige Ausrichtung beibehalten, wie sie die Umfangsfläohe des Kranzes 16 im unverformten Zustand besitzt. Durch die Verformung des Kranzes und des Mittelstüokes an den Eingriffsstellen entsteht eine Kraft, welche die Zähne des Rades 10 in engeren Eingriff mit den Zähnen der anderen Räder drückt, wodurch jeder tote Gang aufgehoben und das Spiel eliminiert wird.

In der Fig." 6 ist ein Getriebeteil mit einer Zahnstange dargestellt, die in ihrer Gesamtheit mit 10^tfl bezeichnet ist und ähnlich den vorstehend beschriebenen Zahnrädern ein Mitte1-

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stüok 12'^ff besitzt, dem eine Stirnseite 18'" mit Zähnen 20"» angeformt ist. Die Zähne sind in einem Winkel ⁰^ '" zur Normalen der Ebene des Mittelstückes abgeschrägt. Kontrollplatten 26'" und 30'", die in der Darstellung von dem Mittelteil getrennt sind, dienen zur Besteigung der Steifigkeit des Mittelstückes, ähnlich wie es im Zusammenhang mit dem Flansch 26 und der Kontrollscheibe 30 nach den vorhergehenden Figuren beschrieben worden ist. Statt der dargestellten getrennten Anordnung können auch eine oder beide Platten 26"· und 30·" ein Teil des Mittelstückes 12"' sein. Bei der Fräsung der Zahnstange P 10'" biegt eine Formungsplatte 36'" den Rohling in ähnlicher Weise um, wie es im Zusammenhang mit der Verformungsscheibe 36 nach der Fig. 3 beschrieben worden ist. Die Platte 36"', die beim Betrieb der Zahnstange normalerweise nicht unbedingt vorhanden ist, kann jedoch auch beim Betrieb verwendet werden, um . gemeinsam mit der Platte 26'" als Zwischenlage oder ohne diese eine Einstellmöglichkeit für die Biegung des Zwischenstückes 12^f" zu erhalten und um somit die Eingriffscharakteristik verändern zu können, (in dieser Stelle sei bemerkt, daß in ähnlioher Weise bei den Zahnrädern naoh den Fig. 1 und 3 eine Formungssoheibe wie die Scheibe 36 auch während des Betriebs verwendet werden kann, um den Winkel oC zu verändern und die Eingriff scharakteristik einzustellen). Die Zahnstange kann mit einem herkömmlichen Ritzel zusammenwirken, wobei die mit der Erfindung angestrebte Spielfreiheit in der gleichen Weise wie bei dem beschriebenen Zahnrad auch hier vorhanden ist.

Es läßt sich somit erkennen, daß das grundlegende Merkmal einer erfindungsgemäßen spielfreien Getriebeanordnung in der Verwendung von elastischem Material besteht, welches in den Eingriff sstellen eine Federwirkung hervorruft. Die Größe des Winkels, in welchem der Getriebrohling angeschnitten wird und/oder die Wälzstellung des Rohlings, die Kranzdicke, die Dicke des Mittelstüokes, die länge des Hebelarms (d.h. die Ausdehnung des

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nieht unter Spannung stehenden Mittelstüoks)' sowie das ausgewählte Material tragen zu der Fähigkeit zum spielfreien Lauf bei. Ein erfindungsgemäßes Zahnrad, welches aus einem Baukunststoff auf Azetalharzbasis hergestellt worden ist, zeigte nach 11 Mill. Umdrehungen noch keine merklichen Abnutzungserscheinungen und behielt immer noch seine Fähigkeit zu spielfreiem Lauf. Dieses in dem Versuchgetriebe eingebaute Zahnrad kämmte wie ein herkömmliches Zahnrad in normalem Aohsabstand. ' Es war nach den Normen der American Gear Manufacturers Asso- , ciation hergestellt.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen spielfreien Zahnradkonstruktion mag aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich sein. In kurzer Zusammenfassung sei gesagt, daß das spiel- . freie Zahnrad (bzw. Zahnstange) in gegenseitigen Eingriff mit an-' deren Zahnrädern gebracht wird, wobei der äußere Teil und der den Zähnen des kämmenden Rades benachbarte Teil des Mittelstückes derart verformt und beansprucht wird, daß besagte Zähne mit den Zähnen der anderen Räder in engeren Eingriff gezwungen werden, wodurch der tote Gang aufgenommen und das Spiel eliminiert wird.

Obwohl das spielfreie Zahnrad nach der vorliegenden Erfindung in der Fig. 4 als im Eingriff mit drei anderen Zahnrä- ₍ dern schematisch dargestellt ist, kann es auch selbstverständlich mit einer größeren Anzahl oder mit nur einem Zahnrad zusammenwirken. Auch erlaubt das erfindungsgemäße Prinzip für unterschiedliche Zwecke die Herstellung verschiedener Verzahnungsarten wie sie für Zahnstangen, geradverzahnte Räder, Kegelräder, Schraubenräder, Schneckenräder und andere benötigte Zahnradtypen in Frage kommen.

Das mit der Erfindung erreichte spielfreie Verhalten eines Zahnrades beruht auf dessen Eigenfederung, durch welche die Zähne in einen dichteren Eingriff gebracht werden, so daß der to-

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te Gang aufgenommen und das Spiel eliminiert wird. Die erfindungsgemäße lehre ist auf versohiedene Ausführungsformen anwendbar. Es ist daher selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausgestaltungen begrenzt ist, sondern daß im Bereich dieser Erfindung auch Abwandlungen möglich sind.

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Claims

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Ansprüche

1· Spielfrei kämmendes Gtetriebeelement, gekennzeichnet durch einen elastischen Körper (12) mit einem elastischen Stirnteil (16), desaen verzahnte Stirnfläche abgeschrägt ist.

2» Spielfrei kämmendes Zahnrad, gekennzeichnet durch einen elaitleohen Radkranz (16), der ein elastisches Mittelstück (12) . elnBöhließt und dessen verzahnte äußere Umfangsfläohe eine Kegtlstumpf-Mantelfläche ist.

$· Zahnrad nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine solche elastizität des Zahnkranzes (16), daß er beim Eingriff der um den Umfang gleichmäßig verteilten Zähne (18) in die Verzahnung (52m) eines anderen in bestimmtem Abstand aohsparallel angeordneten Zahnrades (52) derart verformt ist, daß an diesen Eingriffsstellen seine Mantelfläche zylindrisch ist und das Mittelstüok (12) unter ein Spannung gerät, welche die Zähne (18) fester in die Verzahnung (52m) des anderen Zahnrades (52) drückt.

4. Zahnrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mitte Istüok (12) auB einer dünnen biegsamen Scheibe mit einer Mittelachse (1) besteht.

5· Getriebeelement naoh Anspruch 1, welches sich bezüglich eines mit ihm kämmenden Zahnrades geradlinig bewegen läßt, gekennzeichnet durch eine solche Elastizität seiner Teile (12"', 18'·') daß sich die verzahnte Stirnfläche beim Eingriff mit einem an ihr kämmenden Zahnrad parallel zur Zahnradachse ausrichtet.

6. Verfahren zur Herstellung eines spielfrei kämmenden G-etriebeelementes, dessen Berührungsstellen beim Kämmen auf einer zu einem Zylinder tangentialen Fläche liegen, dadurch gekennzeich-

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net, daß als Rohling eine Platte (12^!, 12^flf) aus elastischem Material verwendet wird, deren Rand zur Plattenebene geneigt wird und deren Randfläche in diesem Neigungswinkel (<£-', cc¹")

; abgeschrägt ist, und daß in diese Randfläche Zähne geschnitten j werden.

7· Zahngetriebe, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach Anspruch 6 hergestelltes Getriebeelement (1O')> ^mi"fc mindestens einem anderen Gretriebeelement (52) kämmt und sich dabei so verformt, daß seine Zähne (20') infolge des durch die Verformung erzeugten Druckes fest in die Verzahnung (52m) des anderen Getriebeelementes (52) eingreifen.

8. Zahngetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide Getriebeelemente (1O^!, 52) Zähnräder sind, die um parallele Achsen (52m, A¹) rotieren.

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