DE19739081C1 - Variabel vorspannbares spielfreies Vorschubgetriebe eines Ritzel-Zahnstangen-Antriebs - Google Patents
Variabel vorspannbares spielfreies Vorschubgetriebe eines Ritzel-Zahnstangen-AntriebsInfo
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
- F16H55/02—Toothed members; Worms
- F16H55/26—Racks
- F16H55/28—Special devices for taking up backlash
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Description
Die Erfindung betrifft ein Vorschubgetriebe mit zwei koaxial angeordneten,
in axialer Richtung getrennten Ritzeln, die gegenläufig verspannt mit einer
Zahnstange kämmen.
Ritzel-Zahnstangen-Antriebe sind sehr verbreitete Antriebssysteme, an die
insbesondere im Werkzeugmaschinenbau ganz besondere Ansprüche
hinsichtlich Präzision und Dauerstandseigenschaften gestellt werden. Eine
besonders wichtige Forderung an diese Antriebe ist die spielfreie
Vorschubübertragung in beide Bewegungsrichtungen. Stand der Technik
zur Spielfreistellung von Ritzel-Zahnstangen-Systemen sind Lösungen mit
mehrstufigen, mehrachsigen Getrieben. Diese Getriebesysteme sind sehr
aufwendig in der Herstellung, haben ein großes Trägheitsmoment und
benötigen einen großen Bauraum, der im modernen
Werkzeugmaschinenbau nur begrenzt vorhanden ist.
Eine Ausführungsvariante wird in der DE-AS 15 52 222 dargestellt. Es wird
ein spielfreies Zahnstangen-Ritzelgetriebe beschrieben, wo zwei jeweils mit
einer Welle drehfest verbundene Zahnräder in eine Zahnstange eingreifen.
Der Antrieb erfolgt von einer Antriebswelle auf zwei Zwischenwellen. Die
Antriebswelle trägt zwei gegensinnig schrägverzahnte Zahnräder, die
wiederum mit zwei entsprechenden Zahnrädern der beiden Zwischenwellen
kämmen. Die Antriebswelle ist federnd oder hydraulisch axial verschiebbar.
Durch Wirkung der Schrägverzahnung wird eine Spielbeseitigung der
Antriebsräder in der Zahnstange erzielt.
Aus der DE 38 03 427 A1 ist ein Zahnradgetriebe bekannt, bei dem zur
Spielbeseitigung ein Ritzel auf der Ritzelwelle hydraulisch axial verschoben
werden kann. Da die das Zahnradgetriebe bildenden Zahnräder
schrägverzahnt sind, kann durch die Axialverschiebung eine Vorspannung
der Zahnräder und die Beseitigung des Flankenspiels erreicht werden.
In der US 2,081,644 ist ein Zahnrad offenbart, das axial aus zwei
Zahnradhälften zusammengesetzt ist. Dabei kann eine Zahnradhälfte
hydraulisch in Umfangsrichtung gegen die andere verdreht werden,
wodurch ein Flankenspiel beseitigt werden kann.
Es sind auch mechanisch wirkende Zahnflankenverspannsysteme bekannt,
bei denen durch einen radial wirkende Federvorspannung zwischen zwei
axial getrennten Zahnradpaaren, die mit einem Zahnrad oder einer
Zahnstange kämmen, der Wechsel der Flankenberührung vermieden wird.
Dabei handelt es sich um ein einfaches und relativ wenig aufwendiges
System, mit dem aber keine hohen Axialkräfte übertragbar sind. Daher ist
die Anwendung überwiegend auf Meßaufgaben und Meßmaschinen
beschränkt, wo sich das System bewährt hat. Für dynamisch belastete
Vorschubantriebe im Werkzeugmaschinenbau sind diese System aber nicht
geeignet.
Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin,
eine Lösung für die Spielfreiheit von Ritzel-Zahnstangen-Antrieben durch
eine möglichst einfache Integration bei geringem Platzbedarf und
Trägheitsmoment vorzuschlagen, mit dem hohe Kräfte übertragen werden
können und sich somit erheblich durch reduzierten Platzbedarf und
Aufwand gegenüber dem Stand der Technik abhebt.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß ein Ritzel einstückig am
abtriebsseitigen Ende einer spielfrei angetriebenen steifen Ritzelwelle
angeordnet ist und am freien Ende in Verlängerung der Ritzelwelle ein
Abtriebszapfen mit Außenschrägverzahnung und auf dem Abtriebszapfen
das andere Ritzel als ein Vorspannritzel beweglich angeordnet ist, wobei
das Vorsparritzel stirnseitig befestigt ein innenschrägverzahntes
Hohlzahnrad aufweist, das in die Außenschrägverzahnung eingreift, und
daß in der Stirn des Ritzels zwischen Abtriebszapfen und Außenverzahnung
in einer Ringnut axial beweglich und antreibbar ein Ringkolben eingelassen
ist.
Ein solches Vorschubgetriebe hat den Vorteil, auf kleinstem Raum und
ohne das Erfordernis weiterer Getriebestufen eine spielfreie Verspannung
der beiden koaxial angeordneten Ritzel gegen die gegenüberliegenden
Flanken der Zahnstangenverzahnung zu ermöglichen. Hiermit sind auch
große Kräfte übertragbar, wobei in jeder Übertragungsrichtung die Breite
eines Ritzelzahns mit etwa der halben Breite eines Zahnstangenzahns im
Eingriff steht. Damit ist zudem durch die Antreibbarkeit des Ringkolbens
die Möglichkeit gegeben, durch Steuerung der Antriebskraft die
Verspannung in Abhängigkeit von der Maschinenbelastung einstellen zu
können. Wird in einer besonderen Ausführungsform dieser Antrieb des
Ringkolbens hydraulisch bewirkt, hat dies den besonderen Vorteil, daß die
Verspannung in einer sehr genau angepaßten Abstufung auf die
verschiedenen Maschinenbelastungsfälle abgestellt werden kann.
Eine Ausführungsform, bei der das auf der Stirnseite des Vorspannritzels
anzuordnende Hohlzahnrad ein getrenntes Bauteil ist, das auf das
Vorspannritzel fest aufgeschraubt wird, bringt einen erheblichen
fertigungstechnischen Vorteil. Die verschiedenen hochpräzisen
Verzahnungen können individuell optimiert werden, bevor die beiden
Bauteile durch Verschraubung fest miteinander verbunden werden.
Die erwähnten und weitere Vorteile werden verdeutlicht bei der
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in beigefügter Zeichnung
stark schematisiert dargestellt ist. In dem in überwiegend geschnittener
Seitenansicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die angetriebene
Ritzelwelle 1 zu erkennen, die gelagert und gegen Axialbewegung gesichert
ist. Am abtriebsseitigen Ende ist an der Ritzelwelle 1 ein Ritzel 2
ausgebildet, an dessen Stirnseite wiederum einstückig ein Zapfen 3
angeordnet ist. Auf dem Abtriebszapfen 3 ist, wie in dem nicht
geschnittenen Ausschnitt am Zapfenende erkennbar, eine
Außenschrägverzahnung 8 aufgebracht.
Auf dem Abtriebszapfen 3 ist konzentrisch ein ringförmiges Vorspannritzel
4 beweglich angeordnet. Beide Ritzel 2 und 4 kämmen mit einer
Zahnstange 5, wobei beide Ritzel mit im wesentlichen gleich breiten
Ritzelzahnen mit etwa der halben Breite der Zahnstangenverzahnung im
Eingriff stehen. Wie weiter unten noch erläutert wird, stehen die beiden
Ritzel gegen die jeweils gegenüberliegenden Flanken der
Zahnstangenverzahnung im Eingriff.
Stirnseitig ist auf dem Vorspannritzel 4 ein innenverzahntes Hohlzahnrad 7
befestigt. Mit seiner Innenschrägverzahnung greift dieses Hohlzahnrad 7 in
die Außenschrägverzahnung 8 auf dem Abtriebszapfen 3 ein. In die
ringförmige Stirn des Ritzels 2, die den Abtriebszapfen 3 umgibt, ist eine
ringförmige Nut 9 eingelassen, in der ein Ringkolben 10 angeordnet ist. Der
Ringkolben 10 ist in seiner Grundposition mit der äußeren Stirnfläche des
Ritzels 2 bündig oder gar gegenüber der Stirnfläche etwas zurückversetzt.
Der Ringkolben 10 ist in der Nut 9 axial verschiebbar und seitlich gegen die
Nutwände hydraulisch abgedichtet. Der Grund der Nut 9 hat Verbindung
mit einem Kanal, der zum Kanalsystem 11 gehört, in dem eine
Hydraulikflüssigkeit geführt wird. Diese Hydraulikflüssigkeit wird dem
Kanalsystem durch eine Radialbohrung in der Ritzelwelle 1 zugeführt, die
in Verbindung mit einer peripheren Ringnut 12 steht, die in der
Lageranordnung 6 für die Ritzelwelle 1 vorgesehen ist. Oberhalb und
unterhalb der Ringnut 12 ist die Ritzelwelle gegen das Lager 6 ebenfalls
hydraulisch abgedichtet.
Wird über das Kanalsystem 11 ein hydraulischer Druck auf die Bodenfläche
des Ringkolbens 10 aufgegeben, verschiebt sich dieser in axialer Richtung
nach außen und drückt dabei gegen das Vorspannritzel 4 und bewegt dieses
mit dem daran befestigten Hohlzahnrad 7 nach außen. Da die
Innenschrägverzahnung des Hohlzahnrads 7 in die Außenschrägverzahnung
8 des Abtriebszapfens 3 eingreift, werden Vorspannritzel 4 und das daran
befestigte Hohlzahnrad 7 nicht nur axial nach außen bewegt; sie führen
auch entsprechend der Steigung der Außenschrägverzahnung 8 eine
Drehbewegung um die Ritzel- bzw. Abtriebszapfenachse aus. Durch diese
Drehbewegung wird das Vorspannritzel 4 in Bezug auf das Ritzel 2 soweit
in Umfangsrichtung versetzt, bis die Außenverzahnung 13 des Ritzes 2 an
der einen Flanke und die Außenverzahnung des Vorspannritzels 2 an der
gegenüberliegenden Flanke der Zahnstange 5 anliegt. Durch entsprechende
Steuerung des hydraulischen Drucks kann die Kraft, mit der der Ringkolben
10 Vorspannritzel 4 nach außen drückt, entsprechend der
Maschinenbelastung eingestellt werden. Damit ist die lastabhängige
Spielfreistellung des Ritzel-Zahnstangen-Antriebs in beiden Richtungen
darstellbar.
Die Axialbewegung von Vorspannritzel 4 und darauf befestigtem
Hohlzahnrad 7 ist durch das Spiel ihrer Außenverzahnung in der
Zahnstange 5 bestimmt. Auf diese Strecke ist der Abstand der
Dichtelemente zwischen Ringkolben 10 und Nut 9 von der ringförmigen
Stirnfläche des Ritzels 2 abzustellen.
Claims (3)
1. Vorschubgetriebe mit zwei koaxial angeordneten, in axialer Richtung
getrennten Ritzeln (2, 4), die gegenläufig verspannt mit einer
Zahnstange (5) kämmen,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Ritzel (2) einstückig am abtriebsseitigen Ende einer spielfrei
angetriebenen steifen Ritzelwelle (1) angeordnet ist und am freien
Ende in Verlängerung der Ritzelwelle (1) ein Abtriebszapfen (3) mit
Außenschrägverzahnung (8) und auf dem Abtriebszapfen (3) das
andere Ritzel als ein Vorspannritzel (4) beweglich angeordnet ist,
wobei das Vorspannritzel (4) stirnseitig befestigt ein
innenschrägverzahntes Hohlzahnrad (7) aufweist, das in die
Außenschrägverzahnung (8) eingreift, und daß in der Stirn des Ritzels
(2) zwischen Abtriebszapfen (3) und Außenverzahnung (13) in einer
Ringnut (9) axial beweglich und antreibbar ein Ringkolben (10)
eingelassen ist.
2. Vorschubgetriebe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ringkolben (10) seitlich in der Ringnut (9) hydraulisch
abgedichtet und von seiner Bodenfläche her durch eine unter
einstellbarem Druck gespannte Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar
ist, wobei die Hydraulikflüssigkeit über ein in die Ritzelwelle
integriertes Kanalsystem (11) und diesem über eine abgedichtete
periphäre Ringnut (12) in der Lagerung der Ritzenwelle (1) zuführbar
ist.
3. Vorschubgetriebe gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Hohlzahnrad (7) stirnseitig auf dem Vorspannritzel (4)
festschraubbar ist.
Priority Applications (4)
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