DE19515146A1 - Zahnrad-Getriebe mit trapez-förmigen Zähnen in niederer Elementenpaarung mit hydrodynamischer Schmierung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit mechanischer Getriebetechnik mit der Möglichkeit, die bisher übliche Evolventen- oder Zykloidenverzahnung aus der Gattung der höheren Elementenpaarung zu ersetzen durch eine Zahnform der niederen Elementenpaarung.

Die Maschinenlehre unterscheidet seit Reuleaux 1856 bei Bewegungselementen zwischen höherer Elementenpaarung, mit punkt- und linienförmiger Kraftübertragung, und niederer Elementenpaarung, mit einer Berührung und Kraftübertragung in Flächen.

Die Maschinenlehre belegt den Vorteil einer Kraftübertragung mittels Flächen und fordert die Vermeidung der höheren Elementenpaarung. Bei gleichem Kraftdurchfluß entsteht bei der Linienberührung der höheren Elementenpaare ein wesentlich höherer spezifischer Flächendruck als in den Berührungsflächen der niederen Elementenpaare.

Beim Vergrößern der Getriebemaße kommt man bei der höheren Elementenpaarung sehr schnell an die praktischen Grenzen, weil der spezifische Flächendruck bei Linienberührung nur entsprechend dem linearen Vergrößerungsverhältnis abnimmt. Bei den niederen Elementenpaaren sinkt er dagegen entsprechend der größeren Berührungsfläche, also im Quadrat des Vergrößerungsverhältnisses. (Prof. K. Rauh TH Aachen, Praktische Getriebelehre, Elementenpaare).

Die größtmöglichste Kraftübertragung mittels einer höheren Elementenpaarung bedingt somit hochwertige Werkstoffe, Härtung und Schleifbearbeitung. Trotzdem sind Ermüdungsschäden an Zahnflanken bekannt wie Grübchenbildung, Abplatzer, Graufleckigkeit, Zahnbruch durch Reibkorrosion, Kalt- und Warmfressen durch Versagen der Zahnflankenschmierung, ferner Verschleiß an den Zähnen infolge kontinuierlicher Materialabtragung, auch Zahnrisse können entstehen durch erforderliche Härtung (Niemann/Winter: Maschinenelmente Bd. II).

Die Evolventenverzahnung ist mathematisch bekannt seit Leonhard Euler 1765. Diese wird im Maschinenbau fast ausschließlich verwandt wegen ihrer vielen Vorzüge, so Niemann/Winter.

Die Anwendung widerspricht aber der Forderung der Maschinenlehre nach Nutzung niederer Elementenpaare durch Reuleaux, Rauh, etc. als Basis hochwertiger Maschinen.

Im Hubkolben-Verbrennungsmotor sind die flächig wirkenden Kolbenringe eine niedere Elementenpaarung. Im Wankelmotor wurden und werden linienförmig wirkende Dichtleisten eingesetzt als höhere Elementenpaarung. Die Folge war und ist ein höherer Ölverbrauch bei höherer Reibleistung. Viele Erfindungen versuchten sich als Lösungshilfe, eine Patenterteilung erfolgte auf eine berührungslose Kolbenabdichtung (Pat.-Nr. 11 58 753 Strach).

Zahnrad-Untersetzungsgetriebe bedingen in Minimalform mindestens 2 miteinander wirkende Elemente: 2 Stirnräder oder 1 Hohlrad/1 Stirnrad oder 1 Zahnstange/1 Stirnrad.

Die Zykloidenverzahnung nach de la Hire 1694 bewegt sich auf Hilfsrollkurven, die Evolventenverzahnung bedingt eine Gerade als Eingriffslinie, in der Geraden besitzen die Zahnräder ihre gemeinsame Hüllbahnnormale. Die Abwälzkreise haben den Mittelpunkt im Zentrum der drehenden Radkörper und laufen tangierend aufeinander zu. Das gilt auch für Planetengetriebe.

Die kinematische Bewegung bedingt somit eine Evolventenzahnform, während die kinetische Nutzung begrenzt wird infolge Grenzwerte der Hertzschen- oder Stribeckschen Wälzpressung.

Die Zahnstange mit trapez-förmigen Zähnen kann nicht als niedere Elementenpaarung genutzt werden, weil das Reaktionszahnrad wieder eine Evolvente erfordert.

Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt die Kraftübertragung mittels zweier Zahnräder mit ungleichen Zähnezahlen, trotzdem kann i=1 und auch wesentlich höher sein. Die Zähne sind trapez-förmig, haben geradlinige Flanken und übertragen die Umfangskräfte mittels aufeinanderliegender Flächen nacheinanderfolgend.

Damit wird bei Kunststoff-Zahnrädern ein sehr geringer spezifischer Flächendruck erzielt. Bei ölgeschmierten Hochleistungsgetrieben wird mittels der Flächenannäherung eine klassische Keilbildung durchlaufen mit der Bildung einer hydrodynamischen Schmierung.

Die Basis einer solchen Zahnform sind Kreis-Schub-Getriebe gemäß Offenlegungsschrift Strach P 43 12 869 und Strach P 44 29 315.

Bei diesen gibt es keine Abwälzkreis-Mittelpunkte in der geometrischen Radkörper-Mitte, auch keine tangierenden Abwälzkreise.

Die miteinander reagierenden Zähne von Hohlrad und Stirnrad werden infolge der Kreis-Schub-Bewegung "ineinander gehoben" in kontinuierlicher Umlaufbewegung zwischen allen Zähnen des Hohl- und Stirnrades.

Diese Kinematik ist nur mittels Bewegung eines ausgeführten Getriebes studierbar oder Computer mit Visualisierung mittels Videomonitor.

Das "Ineinander-Heben" ermöglicht die geraden Zahnflanken, die Flächenbildung und Flächen-Kraftübertragung zwischen den reagierenden Zähnen, ebenso das Entstehen einer hydrodynamischen Schmierung aus einem geringer werdenden Schmierkeil. Diese Eigenart ist gleichbleibend bei Getriebe-Rechts- oder -Links-Lauf.

Das Kreis-Schub-Getriebe ist kein Umlaufräder-Getriebe, sondern gehört zu einer kinematischen Familie mit einer Erweiterung auf 3 Kurbeln (Bild 1).

Die Wildhaber-Novikov-Verzahnung mit niederer Elementenpaarung kann ein 2- bis 3fach höheres Drehmoment als die Evolventenverzahnung übertragen, hat jedoch keine Profilüberdeckung und gleichmäßige Bewegungsübertragung ist nur möglich mittels Schrägverzahnung.

Die vorliegende Erfindung hat auch ohne Schrägverzahnung eine Profilüberdeckung, variierbar mit Zahnraddurchmesser, Zähnezahl und Zahndifferenz (Bild 2).

Das "Ineinander-Heben" vermeidet Eingriffs-Störungen außerhalb des Eingriffsgebietes, bekannt durch zahlreiche Publikationen zur Auslegung von Evolventen-Innen-Verzahnungen.

Die Innen- wie auch die Außenverzahnung erfolgt nicht mittels Abwälzstoßen oder Abwälzfräsen.

Der gesamte Zahnkopfwinkel kann z. B. 70° betragen. Dadurch entsteht ein sehr breiter und biegesteifer Zahnfluß, mehr als bei Evolventenverzahnung mit Profil-Verschiebung.

Bei Planetengetrieben sind Eingriffs-Störungen bekannt bei "ungelagerten" Planetenträgern oder Sonnenrad.

Bei der vorgestellten Erfindung gibt es diese Störungen nicht, denn sowohl Hohlrad wie auch Stirnrad haben eine konstante Eigenlagerung und vermeiden damit auch Fliehkraft-Belastungen wie bei Planetengetrieben bekannt.

Auch die bei Planetengetrieben bekannte Verlustleistung als Summe der Verzahnungsverlustleistung aus der Wälzleistung Sonne/Planet plus Planet/Hohlrad findet bei der vorgestellten Erfindung nicht statt.

Claims (6)

1. Mechanisches Zahnrad-Getriebe für die Übertragung von Umfangskräften mittels niederer Elementenpaarung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Getriebe gebildet ist aus mindestens 3 Parallel-Kurbeln, einem Hohlrad und einem Stirnrad und daß die Hohl- und Stirnrad-Zähne geradflankig und trapez-förmig sind und mit der Zahnradbreite eine Fläche bilden zur wechselseitigen Übertragung von Umfangskräften, Drehmomenten und Leistung.

2. Zahnrad-Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zahn und jeweils gegenüberliegende Lücke gleiche Trapezform haben.

3. Zahnrad-Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Extremform der Zahn ein spitzwinkliges Dreieck bildet und die Seitenwinkel des Trapezes wie auch des Dreiecks gleich oder ungleich geneigt sind.

4. Zahnrad-Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander reagierenden Zahnflächen achsparallel sind oder schräg zur An- und Abtriebs-Achse, gleichbedeutend mit Gerad- oder Schrägverzahnung.

5. Zahnrad-Getriebe nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß infolge der Kreis-Schub-Bewegung die Flächen der Hohl- und Stirnrad-Zähne einen offenen Keil bilden, welcher sich bis zur Flächen-Anlegung schließt und daß dabei die infinitesimal gegen 0 gehende Gleitbewegung der Flächen relativ zueinander eine hydrodynamische Schmierschicht erzeugt aus dem anhaftenden Schmieröl der Getriebeschmierung.

6. Zahnrad-Getriebe nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung von Umfangskräften in einem beliebigen Drehzahlverhältnis stattfindet und daß die belasteten Zähne frei sind von Hertzscher- und Stribeckscher-Wälzpressung.