DE19805676A1 - Hirth-verzahntes Maschinenelement - Google Patents
Hirth-verzahntes MaschinenelementInfo
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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
- F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
- F16D1/00—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
- F16D1/02—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for connecting two abutting shafts or the like
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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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Description
Die Erfindung betrifft ein Hirth-verzahntes Maschinenelement zur
formschlüssigen Verbindung mit einem zweiten, komplementär verzahnten
Maschinenelement.
Hirth-Verzahnungen sind als Konstruktionselemente seit längerem für eine
Vielzahl unterschiedlichster Einsatzzwecke bekannt. Stellvertretend wird auf
das Voith-Firmenprospekt G 749 9.92 1500 verwiesen. Die Grundidee der
Hirth-Verzahnung besteht darin, alle geometrischen Linien einer
Stirnverzahnung keilförmig auszubilden und zentral in einem Punkt
zusammenzuführen. Es entsteht somit an einem Maschinenelement zum
Zwecke der Drehmomentenübertragung ein in Umfangsrichtung verlaufender
Zahnkranz mit sich, bezogen auf die Mittelachse, in radialer Richtung
erstreckenden Zähnen. Die Ausgestaltung zweier miteinander zu koppelnder
Maschinenelemente mit zueinander komplementärer Hirth-Verzahnung
ermöglicht die Schaffung einer formschlüssigen selbstzentrierenden
Verbindung zwischen diesen, wobei die Hirth-Verzahnung als solche als
raumsparendes Teilelement mit hoher Teilgenauigkeit oder als Fixierelement
mit hoher Wiederholgenauigkeit zum Einsatz gelangt. Die
Einsatzmöglichkeiten derartiger Verbindungselemente sind sehr vielseitig und
nicht auf konkrete Einsatzbeispiele beschränkt. Denkbar ist der Einsatz im
allgemeinen Maschinenbau, beispielsweise bei der Verbindung hochtouriger
Verdichter und Turbinenlaufräder mit der Rotorwelle, Zahnrädersätze oder
Kurbelwellen. Eine Leistungssteigerung kann
dabei bei gleichem Volumen dort erzielt werden, wo herkömmliche
Schraubverbindungen, z. B. bei Flanschen, Naben und Wellen, die Grenze
der Übertragungsfähigkeit erreicht oder sogar überschritten haben. Auch kann
mit einer derartigen Verbindung ein Gewinn an Volumen und Masse dort
erzielt werden, wo der Raum bereits stark begrenzt ist. Die Montage gestaltet
sich aufgrund der Zentrierwirkung sehr einfach, des weiteren sind derartig
gestaltete Bauteile sehr leicht austauschbar.
Zur Realisierung einer Drehmomentenübertragung und Kompensation der
aufgrund der dabei wirkenden Umfangskraft auftretenden Axialkräfte ist die
Verbindung zweier Maschinenelemente mit zueinander komplementärer Hirth-Ver
zahnung in der Regel axial vorgespannt. Zu diesem Zweck werden
zusätzlich zur formschlüssigen und selbstzentrierenden Verbindung Mittel
eingesetzt, welche eine axiale Verspannung der beiden miteinander zu
koppelnden Maschinenelemente ermöglichen. Unter axialer Verspannung wird
dabei die Erzeugung einer Verspannung mit wenigstens einer Komponente in
Richtung parallel zur Rotationsachse der Maschinenelemente verstanden. Als
Mittel kommen hauptsächlich Schraubverbindungen sowie Zuganker zum
Einsatz. Diese bedingen neben einer zusätzlichen Gewichtszunahme auch
einen erhöhten Bedarf an Bauraum, was bereits im Vorfeld entsprechend dem
Einsatzzweck bei der Auslegung der Verbindung mit einzukalkulieren ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine formschlüssige
Verbindung mittels einer Hirth-Verzahnung derart weiterzuentwickeln, daß die
genannten Nachteile vermieden werden, insbesondere daß die erhöhten
Anforderungen bezüglich eines minimalen Bauraumes und Gewichtes erfüllt
werden können. Der konstruktive Aufwand ist dabei so gering wie möglich zu
halten.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1
charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
wiedergegeben.
Demnach wird eine Hirth-Verzahnung bzw. ein mit einer Hirth-Verzahnung
versehenes Maschinenelement zur Übertragung von Drehmoment auf ein
anderes mit einer komplementären Hirth-Verzahnung versehenes zweites
Maschinenelement durch Realisierung einer formschlüssigen Verbindung
zwischen beiden derart ausgeführt, daß wenigstens ein oder wenigstens
einzelne Verzahnungselemente unsymmetrisch ausgeführt sind, d. h. eine
unsymmetrische Geometrie hinsichtlich des Zahnprofiles aufweisen. Unter
einer Hirth-Verzahnung wird dabei eine Verzahnung verstanden, welche
vorzugsweise bei rotierenden Bauelementen eingesetzt wird und derart
ausgeführt ist, daß die geometrischen Linien der Stirn-Verzahnung keilförmig
ausgebildet werden und zentral in einem Punkt zusammenführen, welcher auf
der Symmetrieachse bzw. Rotationsachse des Maschinenelementes
angeordnet ist. Bei der Verzahnung selbst handelt es sich um eine
Keilverzahnung, deren einzelne Flanken sich im wesentlichen mittels jeweils
einer Ebene beschreiben lassen. Die Verzahnung selbst ist in
Umfangsrichtung des rotierenden Bauteiles angeordnet. Die einzelnen
Verzahnungselemente erstrecken sich in radialer Richtung bezogen auf die
Rotationsachse, die Flanken sind jeweils in Umfangsrichtung ausgerichtet. Die
Zahnhöhe differiert in radialer Richtung von der Rotationsachse betrachtet
bezüglich der Höhe und Abmessungen des einzelnen Verzahnungselementes
und der Abmessung der Verzahnung. Die Verzahnung ist zum zentralen
Mittelpunkt bzw. zur Rotationsachse hin geneigt ausgeführt.
Die Ausgestaltung einzelner Verzahnungselemente mit unsymmetrischer
Geometrie bietet entsprechend der Wahl der Drehrichtung den Vorteil, daß
entweder
- 1. ein Teil, der bei der Drehmomentenübertragung infolge der Umfangskraft auftretenden Axialkraft von der formschlüssigen und selbstzentrierenden Verbindung der Hirth-Verzahnung kompensiert werden kann, wobei dieser Teil eine Funktion der Anzahl der Kompensationsstellen, d. h. der entsprechend gestalteten Verzahnungselemente, und/oder der Geometrie der einzelnen Verzahnungselemente ist;
- 2. Verwendung als Sicherheitskupplung in Form einer Überholkupplung, bei welcher bei Überschreiten einer entsprechend der Geometrie vordefinierten Axialkraft die Flanken der beiden miteinander in Eingriff stehenden Hirth-Verzahnungen der beiden zu koppelnden Maschinenelemente aufeinander abgleiten.
Der unsymmetrische Aufbau wird dadurch erreicht, daß jeweils eine erste
Flanke der einzelnen Verzahnungselemente steiler ausgeführt ist als die
andere zweite Flanke. Die Lage der Flanken ist dabei über den Flankenwinkel
beschreibbar, welcher sich durch die durch die einzelne Flanke beschreibbare
Ebene und einer senkrecht zur Kopfhöhenlinie der Verzahnung bzw. des
Verzahnungselementes verlaufenden Ebene, welche sich durch eine Linie, die
senkrecht zur Rotationsachse verläuft und durch die Kopfhöhenlinie verläuft,
und die Rotationsachse beschreiben läßt. Die in einer Rotationsrichtung bzw.
in Umfangsrichtung betrachtet erste vorzugsweise steilere Flanke nimmt dabei
vorzugsweise einen Winkel zwischen 0°≦29° ein. Die zweite flachere Flanke
eines Verzahnungselementes nimmt einen Winkel von 29<90°, vorzugsweise
<80° ein. Denkbar ist jedoch auch ein negativer Flankenwinkel, so daß im
Betriebszustand ein Verhaken der Maschinenelemente erfolgt. Unter Winkel
der Flanken wird dabei der Winkel verstanden, welcher sich zwischen der
Ebene, welche durch die Flanke beschrieben wird, und einer weiteren Ebene,
die senkrecht auf der Rotationsachse steht und sich durch die Flanke
erstreckt, verstanden. Diese Ebene kann auch durch die Mittel- bzw.
Rotationsachse und eine Flankenlinie des einzelnen Verzahnungselementes
beschrieben werden. Der Winkel kann des weiteren wie folgt beschrieben
werden:
90°-Winkel α1 oder 90°-Winkel α2,
wobei α1 und α2 die Flankenneigung gegenüber der Kopfhöhenlinie
darstellen.
Im ersten Fall, d. h. zur Kompensation der auftretenden Axialkräfte, erfolgt die
Drehrichtung derart, daß die Verzahnungsflanke mit der steileren Flanke in
Umfangsrichtung entgegen der Drehrichtung weist bzw. gerichtet ist. Im
zweiten Fall, d. h. beim Einsatz der Hirth-Verzahnung für Verbindungen,
welche als Sicherheits- bzw. Überholkupplung funktionieren, erfolgt die
Ausgestaltung der einzelnen Verzahnungselemente derart, daß die steilere
Flanke in Umfangsrichtung betrachtet in Richtung der Drehrichtung weist. In
diesem Fall erfolgt entsprechend der Auslegung der Geometrie der einzelnen
Verzahnung, insbesondere der flacheren Flanke, ein Abgleiten der Flanken
der miteinander in Eingriff stehenden Verzahnungen der beiden
Maschinenteile bei Überschreitung einer bestimmten vordefinierten Axialkraft.
Zwischen den einzelnen, in Umfangsrichtung einander benachbarten
Verzahnungen ist ein Zahngrund, vorzugsweise in gerundeter Form
eingearbeitet. Der Zahnkopf der Hirth-Verzahnung ist vorzugsweise als ebene
Fläche ausgeführt.
Für die Anordnung und Ausgestaltung der einzelnen Verzahnungselemente
ergeben sich eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten. Zu diesen gehören:
- 1. Anordnung der einzelnen Verzahnungselemente in Umfangsrichtung, bezogen auf die Rotationsachse des Maschinenelementes über den gesamten Umfang;
- 2. Anordnung einzelner Verzahnungselemente in Teilbereichen, bezogen auf die Umfangsrichtung.
Im erstgenannten Fall besteht vorzugsweise die Möglichkeit, die einzelnen
Verzahnungselemente hinsichtlich ihrer Geometrie analog auszugestalten, so
daß sich in Umfangsrichtung auf einem Durchmesser, bezogen auf die
Rotationsachse, ein Zahnkranz ausbildet. Diese Möglichkeit stellt eine
bevorzugte Ausführung dar, welche sich durch eine einfache Herstellung
auszeichnet sowie durch die entsprechende Anzahl der zur Verfügung
stehenden Flanken eine optimale Kompensation der Axialkraft ermöglicht.
Im zweiten Fall können einzelne Verzahnungselemente entweder zu einem
einzelnen Verzahnungselement bzw. formschlüssigen Verbindungselement
zusammengefaßt werden oder aber Teilbereiche über den Umfang betrachtet
gänzlichst frei von Verzahnungen ausgeführt werden. Zusätzlich dazu können
die Verzahnungselemente eine einheitliche oder unterschiedliche Geometrie
aufweisen. Beim Versehen von Lückenbereichen oder aus mehreren einzelnen
Elementen zusammengefaßten Verzahnungselementen ist jedoch zu
berücksichtigen, daß das Gegenelement entsprechend auszuführen ist. Dafür
ergeben sich eine Vielzahl von Möglichkeiten. Eine erste Möglichkeit besteht
in der jeweils zueinander komplementären Ausführung von Lückenbereich
und Verzahnungssegment, so daß im wesentlichen auch in diesen Bereichen
ein Anliegen der beiden Maschinenelemente über größere Flächen erfolgt.
Des weiteren können die aus mehreren Verzahnungselementen
zusammengefaßten Verzahnungselemente mit einer geringeren Kopfhöhe als
die diesen benachbarten Verzahnungselemente am selben Maschinenelement
ausgebildet werden, so daß entweder in diesem Bereich ein flächiges
Aufeinanderliegen der beiden miteinander zu koppelnden Maschinenelemente
erzielt wird, wobei dieser Bereich optimal für die Unterbringung bzw.
Anordnung von Verbindungselementen genutzt werden kann, oder aber
größere Freiräume zwischen beiden Maschinenelementen bestehen bleiben.
Die Ausgestaltung, Geometrie und/oder die Festlegung Abmaße der einzelnen
Verzahnungselemente können bei den unterschiedlichen
Ausführungsvarianten analog zu anderen Verzahnungselementen erfolgen,
vorzugsweise werden die Verzahnungselemente mit einer einheitlichen
Geometrie und einheitlichen Abmaßen hergestellt. Eine weitere Möglichkeit
besteht jedoch auch darin, einzelne Verzahnungselemente hinsichtlich ihrer
Geometrie und/oder ihrer Abmessungen unterschiedlich voneinander
auszugestalten.
Vorzugsweise werden die unsymmetrisch ausgeführten Verzahnungen derart
hinsichtlich ihrer Geometrie ausgelegt, daß in gleicher Richtung ausgerichtete
Flanken, wobei sich die Richtung durch den Verlauf der Flankenebene
beschreiben läßt, jeweils in eine Richtung bezogen auf die Umfangsrichtung
weisen. Bei gleicher Ausrichtung der Flanken wird in Abhängigkeit der
Rotationsrichtung die Funktion festgelegt. Steilere Flanken, als jeweils erste
Flanken in Umfangsrichtung bei Rotation betrachtet, bewirken eine
Verspannung. Steilere Flanken, als zweite Flanke eines
Verzahnungselementes in Umfangsrichtung bei Rotation betrachtet, dienen
der Realisierung der zweiten Funktion als Überholkupplung. Es besteht
jedoch auch die im einzelnen nicht weiter erläuterte theoretische Möglichkeit,
die einzelnen Verzahnungselemente derart hinsichtlich ihrer Geometrie
und/oder Abmessungen zu gestalten, daß sowohl eine Abstützung von
Axialkraftkomponenten in einer als auch in der anderen Drehrichtung des
Maschinenelementes möglich ist. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht,
daß in Umfangsrichtung des Maschinenelementes betrachtet einzelne
Segmente geschaffen werden, die mit Verzahnungen unterschiedlicher
Verzahnungsgeometrie versehen werden, insbesondere deren Flankenebenen
in Umfangsrichtung betrachtet, entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind.
Eine derartige Ausführung setzt jedoch vorab einen erhöhten
fertigungstechnischen Aufwand voraus, welcher jedoch durch die universelle
Einsetzbarkeit unabhängig von der Drehrichtung wieder kompensiert wird.
Die Fertigung der unsymmetrisch ausgeführten Verzahnung kann mittels
Fräser oder Schleifscheiben erfolgen. Des weiteren ist es möglich, die
einzelnen Verzahnungen im Gesenk geschmiedet, durch Stoßen,
Sinterverfahren sowie Walzverfahren herzustellen. In diesem Fall kann
zusätzlich noch eine Schlagverfestigung erfolgen. Auch mit der
unsymmetrisch gestalteten Hirth-Verzahnung werden die Funktionen der
Drehmoment-/Drehzahlübertragung sowie der Erhöhung der Genauigkeit und
der Wiederholbarkeit optimal erfüllt. Die Beanspruchungen können durch
entsprechend ausgelegte Flächenpressungen minimiert werden. Die
Anwendungsfälle selbst können sehr vielgestaltig ausgeführt sein. Dabei ist es
unerheblich, in welcher Einbaulage sich die Maschinenelemente und damit
die Ausrichtung der Hirth-Stirnverzahnung befindet. Stellvertretend seien als
mögliche Einsatzbeispiele der Einsatz in Gelenkwellensträngen, als
Verbindungs- und Leistungsübertragungselement für den Einsatz in
Kernreaktoren sowie im Werkzeugmaschinenbau genannt.
Die konkrete Auswahl der Geometrie des einzelnen Verzahnungselementes,
der gesamten Verzahnung in Umfangsrichtung, insbesondere die Nutzung der
Möglichkeit des Zusammenfassens einzelner Verzahnungselemente zu einem
Verzahnungselement bzw. die Möglichkeit der Ausführung von
Verzahnungsanordnungen mit Lückenbereichen, ist vom konkreten Einsatzfall
und den dort auftretenden Belastungen abhängig und liegt daher im
Ermessen des zuständigen Fachmannes. Mittels der erfindungsgemäßen
Lösung werden die Vorteile einer Hirth-Stirnverzahnung weiterhin optimal
genutzt, wobei zusätzlich die Möglichkeit besteht, die zur Vorspannung der
beiden miteinander zu koppelnden Maschinenelemente erforderlichen
Axialkräfte erheblich zu reduzieren und somit auch die Anzahl der
erforderlichen Mittel zum Aufbringen dieser Vorspannkraft für eine bestimmte
Drehrichtung reduziert werden kann, und des weiteren bei gleicher
Ausrichtung der Flanken der aufeinanderfolgenden Verzahnungselemente in
der anderen zweiten Drehrichtung das gleiche Verbindungselement als
Sicherheitskupplung verwendet werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren
erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Fig. 1a stellt eine mögliche Ausführung einer erfindungsgemäß
gestalteten Hirth-Stirnverzahnung zur Realisierung einer
formschlüssigen und selbstzentrierenden Verbindung zwischen
zwei miteinander zu koppelnden Maschinenteilen anhand eines
Ausschnittes aus beiden dar;
Fig. 1b verdeutlicht die Flankenneigung des das einzelne
Verzahnungselement beschreibenden Winkels in abgewickelter
Darstellung einzelner aufeinanderfolgender
Verzahnungselemente entsprechend Fig. 1a;
Fig. 2 verdeutlicht eine Ausführung mit erfindungsgemäß gestalteten
unsymmetrischen Verzahnungselementen, wobei die Verzahnung
Teilbereiche aufweist, welche sich durch die Zusammenfassung
einzelner einander benachbarter Verzahnungselemente zu einem
einzigen Verzahnungselement auszeichnen;
Fig. 3 verdeutlicht eine weitere Ausführungsmöglichkeit eines
Maschinenelementes mit erfindungsgemäß gestalteter Hirth-Stirn
verzahnung, wobei die in Umfangsrichtung verlaufende
Verzahnung Lückenbereiche aufweist, welche frei von
Verzahnungselementen sind;
Fig. 4 verdeutlicht eine Ausführung eines Maschinenelementes mit
Eignung für beliebige Drehrichtung durch Verwendung einzelner
Segmente unterschiedlicher Geometrie und Ausrichtung;
Fig. 5 verdeutlicht eine Ausführung mit negativem Flankenwinkel.
Die Fig. 1a verdeutlicht anhand eines Ausführungsbeispiels in vereinfachter
Darstellung das Grundprinzip der erfindungsgemäß gestalteten
Hirth-Stirnverzahnung 1. Zwei miteinander zum Zwecke der
Drehmomentenübertragung zu koppelnde Maschinenelemente, ein erstes
Maschinenelement 2, welches mit einer hier im einzelnen nicht dargestellten
Antriebsmaschine wenigstens mittelbar koppelbar ist und ein zweites
Maschinenelement 2', welches mit einem, hier im einzelnen nicht
dargestellten Abtrieb wenigstens mittelbar koppelbar ist, sind mit jeweils
zueinander komplementär ausgebildeten Hirth-Stirnverzahnungen 1 bzw. 1'
ausgestaltet. Die Hirth-Stirnverzahnung 1 bzw. 1' basiert auf der Grundidee,
daß alle geometrischen Linien einer Stirnverzahnung keilförmig ausgeführt
werden und zentral in einem Punkt, hier dem Punkt G, zusammenlaufen.
Diese einzelnen geometrischen Linien sind in der Fig. 1a für drei
Verzahnungselemente beispielhaft eingezeichnet. Die drei
Verzahnungselemente sind dabei mit 3, 4 und 5 bezeichnet. Die
entsprechenden geometrischen Linien sind jeweils mit 3', 4', 5' bzw. 3'', 4''
und 5'' bzw. 3''', 4''' und 5''' bezeichnet. Diese geometrischen Linien werden
durch die Schnittpunkte der die Flanken beschreibenden und verlängernden
theoretisch gedachten Linien am einzelnen Verzahnungselement sowie der
Schnittpunkte der theoretischen die Flanken verlängernden Linien mit einer,
parallel zur Zahnhöhe ZH in Umfangsrichtung verlaufenden Grundlinie GL
beschreibbar. Im dargestellten Fall sind die einzelnen Flanken des einzelnen
Verzahnungselementes - eine erste Flanke und eine zweite Flanke - jeweils für
die beispielhaft bezeichneten Verzahnungselemente 3, 4 bzw. 5 mit 3a, 4a
bzw. 5a und 3b, 4b bzw. 5b bezeichnet. Die die Flanken 3a, 4a bzw. 5a und
3b, 4b bzw. 5b bei Projizierung des Querschnittes in eine Ebene
beschreibenden theoretischen Linien sind mit 6, 6' bzw. 6'' und 7, 7' bzw. 7''
bezeichnet. Die mit 6 bezeichneten theoretischen Linien sind dabei den
Flanken 3a, 4a bzw. 5a zugeordnet, und die mit 7 bezeichnete theoretische
Linie beschreibt die Flanken 3b, 4b bzw. 5b.
Die erfindungsgemäß ausgestaltete Hirth-Stirnverzahnung 1 bzw. 1' ist
dadurch charakterisiert, daß das einzelne Verzahnungselement
unsymmetrisch ausgestaltet ist. Dies bedeutet, daß die einzelnen Flanken, hier
stellvertretend die Flanken 3a bzw. 3b, 4a bzw. 4b und 5a bzw. 5b der
einzelnen Verzahnungselemente, hier 3, 4 bzw. 5 in unterschiedlichem Winkel
zueinander verlaufen. Vorzugsweise sind, wie in der Fig. 1a dargestellt, die
einzelnen Verzahnungselemente, welche über den Umfang U des ersten bzw.
zweiten Maschinenelementes 2 bzw. 2' in vorzugsweise gleichmäßigen
Abständen zueinander angeordnet sind, mit derselben Geometrie aufgebaut.
Dies bedeutet im einzelnen, daß die Abstände zwischen zwei beliebig
ausgewählten und bezogen auf die Rotations- bzw. Mittelachse auf einem
gemeinsamen Durchmesser liegenden Punkten zweier benachbarter
Verzahnungselemente konstant sind. Die Fig. 1a verdeutlicht dies
beispielhaft für die einzelnen Verzahnungselemente 9 bzw. 10 anhand der
Punkte 11 und 12, der Abstand ist mit a bezeichnet. Dies gilt in Analogie auch
für die Abstände zwischen den einzelnen gleichgerichteten Flanken,
beispielhaft 3a, 4a, 9a, 10a, 5a bzw. beispielhaft 3b, 4b, 9b, 10b, 5b der
einzelnen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden bzw. benachbarten
Verzahnungselemente.
Zum Zwecke der Drehmomentenübertragung zwischen dem ersten
Maschinenteil 2 und dem zweiten Maschinenteil 2' werden die Hirth-Stirn
verzahnungen 1 bzw. 1', die komplementär zueinander ausgeführt sind,
miteinander in Eingriff gebracht. Die Hirth-Stirnverzahnung 1 bzw. 1' an den
einzelnen Maschinenelementen 2 bzw. 2' ermöglicht eine formschlüssige
Verbindung zwischen diesen. Die erfindungsgemäße unsymmetrische
Ausgestaltung bewirkt, daß eine Kraftkomponente, welche der axialen
Vorspannungskraft zur Vorspannung der beiden Maschinenelemente 2 bzw. 2'
wenigstens teilweise entspricht, erzeugt wird. Dazu ist es jedoch erforderlich,
die Geometrie der Verzahnungen entsprechend der Drehrichtung
auszugestalten. Diese Geometrie wird im wesentlichen durch die Winkel der
Flanken bestimmt. Die Flanken 3a, 4a bzw. 5a beschreiben über ihre
Erstreckung b in radialer Richtung zum zentralen Mittelpunkt G, welcher
gleichzeitig auf der Symmetrieachse bzw. Rotationsachse des
Maschinenelementes 2 bzw. 2' liegt, jeweils eine Ebene E13a, E14a bzw. E15a
bzw. E23b, E24b und E25b. Der Winkel der Flanken läßt sich dann als Winkel
dieser Ebenen E1 bzw. E2 gegenüber der die Kopfhöhe ZH des einzelnen
Verzahnungselementes beschreibenden Linie darstellen.
In der Fig. 1b ist zu diesem Zweck ein Ausschnitt aus der Hirth-Stirn
verzahnung 1 des Maschinenelementes 2 in Umfangsrichtung in
abgewickelter Form dargestellt. Stellvertretend sind hier die beiden in
Umfangsrichtung benachbarten Verzahnungselemente 4 und 9 dargestellt. Die
die Kopfhöhe ZH beschreibende Linie verläuft dabei immer in einer Ebene,
welche senkrecht zu einer durch die Symmetrieebene des
Maschinenelementes 2 bzw. 2' gelegten Ebene, welche durch die
Symmetrieachse S und eine senkrecht zu dieser verlaufenden Linie
beschrieben werden kann, verläuft. Der Winkel der durch die Flanken
beschriebene Ebenen E1 bzw. E2 mit der die Kopfhöhe ZH beschreibenden
Linie dient der Beschreibung der Geometrie der Verzahnungen. Im
dargestellten Fall ist der Winkel der Flanke 4a bzw. 9a mit der Ebene bzw. der
Kopflinie ZH mit α1 und der Winkel der Flanke 4b bzw. 9b mit der Ebene bzw.
Kopflinie mit α2 bezeichnet.
Durch Subtraktion 90°-α1 bzw. 90°-α2 ergibt sich der Flankenwinkel.
Vorzugsweise sind, wie in der Fig. 1a dargestellt, die einzelnen
Verzahnungselemente, welche in Umfangsrichtung des Maschinenelementes
2 aufeinanderfolgen, mit der gleichen Geometrie ausgestaltet. Die Größe der
durch die Geometrie der Verzahnung aufgebrachten axialen Vorspannkräfte,
welche zur Drehmomentenübertragung zwischen den beiden
Maschinenelementen 2 bzw. 2' erforderlich sind, ist dabei eine Funktion der
Anzahl der Verzahnungselemente und der Geometrie, insbesondere der
Winkel der einzelnen Flanken. Vorzugsweise wird die steilere Flanke von
beiden Flanken mit einem Flankenwinkel zwischen 0 Grad und 29 Grad und
der Winkel der flacheren Flanken mit einem Winkel zwischen 30 und 80 Grad
ausgeführt. Vorzugsweise erfolgt die Auswahl der Größe der Winkel derart,
daß diese unterhalb der Selbsthemmungsgrenze liegen. Es ist jedoch auch
denkbar, für die steilere Flanke einen negativen Flankenwinkel zu erhalten.
Es besteht theoretisch auch die hier im einzelnen nicht dargestellte
Möglichkeit, die einzelnen, in Umfangsrichtung des Maschinenelementes 2
bzw. 2' einander benachbarten Verzahnungselemente mit unterschiedlicher
Geometrie auszuführen, wobei die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden
ersten bzw. zweiten Flanken zwei einander benachbarter
Verzahnungselemente gleich ausgerichtet sind.
Die erfindungsgemäße unsymmetrische Ausgestaltung der in
Umfangsrichtung der Maschinenelemente aufeinanderfolgenden
Verzahnungselemente, welche eine Reduktion der zur Vorspannung der
beiden Maschinenelemente in axialer Richtung gegeneinander erforderlichen
Axialkräfte bewirken, ermöglicht es, daß auf die Verwendung zusätzlicher
Mittel zur Erzeugung der axialen Vorspannkraft zwischen den beiden
Maschinenelementen 2 bzw. 2' verzichtet werden kann. Die Richtung der
axialen Vorspannkräfte ist dabei durch eine Parallele zur Symmetrieachse
bzw. im Betrieb der Rotationsachse der Maschinenelemente 2 bzw. 2'
beschrieben. Da der Einsatz der zur Erzeugung der axialen Vorspannkraft
erforderlichen Mittel weitestgehend reduziert werden kann, entfallen
zusätzliche konstruktive Maßnahmen an den einzelnen Maschinenelementen 2
bzw. 2' zur Aufnahme dieser Mittel, beispielsweise in Form von Bohrungen,
welche auch im Bereich der Verzahnung der Maschinenelemente angeordnet
sein können. Dies bietet den Vorteil, daß die Verzahnung vollständig zur
Leistungs-, insbesondere Drehmomentenübertragung genutzt werden kann.
Da sich an der Grundidee, alle geometrischen Linien einer Stirn-Verzahnung
keilförmig auszubilden und zentral an einem Punkt zusammenzuführen und
die Stirnflächen zum Erreichen einer durch Parallelen begrenzten
Zahnkopffläche konisch gedreht sind, d. h. die Zahnkopfflächen mit parallen
Seitenlinien auszuführen, nichts geändert hat, können auch die Vorteile der
konventionell gestalteten Hirth-Stirnverzahnung mit der erfindungsgemäßen
Lösung erzielt werden. Die erfindungsgemäße geometrische Ausgestaltung
ermöglicht ebenfalls die Herstellung einer formschlüssigen
selbstzentrierenden Verbindung. Die Hirth-Stirnverzahnung als
formschlüssiges, selbstzentrierendes Verbindungselement kann dabei als
raumsparendes Teilelement mit hoher Teilgenauigkeit oder als Fixierelement
mit hoher Wiederholgenauigkeit eingesetzt werden. Die Montage selbst
gestaltet sich relativ einfach, und einzelne Maschinenelemente sind leicht
austauschbar.
Die Fig. 2 verdeutlicht eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der
erfindungsgemäß gestalteten Hirth-Stirnverzahnung. Das Grundprinzip und
der Grundaufbau der Hirth-Stirnverzahnung, insbesondere der einzelnen
Verzahnungselemente, entspricht im wesentlichen dem in der Fig. 1
beschriebenen, weshalb bei gleichen Elementen die gleichen Bezugszeichen
verwendet werden. Der entscheidende Unterschied besteht darin, daß in
Umfangsrichtung des Maschinenelementes 2 die einzelnen
Verzahnungselemente nicht mit der gleichen Geometrie ausgeführt sind. Die
Lösung entsprechend der Fig. 2 zeichnet sich dadurch aus, daß einzelne
Verzahnungselemente entsprechend der Fig. 1a zu einem einzelnen
Verzahnungselement zusammengefaßt werden. Im dargestellten Fall sind dies
die beiden Verzahnungselemente 14 und 15. Diese weisen vorzugsweise
bezüglich ihrer Flanken 14a bzw. 15a und 14b bzw. 15b die gleichen Winkel
wie die der anderen einander benachbarten Verzahnungselemente auf, jedoch
bilden diese jeweils eine Anschlagfläche, hier mit 16 für das
Verzahnungselement 14 und 17 für das Verzahnungselement 15 bezeichnet,
für eine entsprechende Anschlagfläche an dem mit dem Maschinenteil 2 zu
koppelnden Maschinenelement 2'. Diese Anschlagfläche 16 bzw. 17 wird von
der Kopffläche dieses in Umfangsrichtung verbreiterten
Verzahnungselementes 14 bzw. 15 gebildet. Vorzugsweise werden diese
Bereiche bei Rotation symmetrisch gestalteter Elemente zur Aufnahme der
zum Zusammenhalt der einzelnen Maschinenelemente 2 bzw. 2'
erforderlichen Mittel vorzusehenden Bohrungen bzw. Gewinde genutzt. Die in
der Fig. 2 beschriebene Ausführung der Zusammenfassung einzelner
Verzahnungselemente zu einem Verzahnungselement mit anderen
Abmessungen gegenüber den restlichen verbleibenden
Verzahnungselementen stellt nur eine mögliche Ausführung von vielen dar.
Entsprechend des Einsatzfalles kann die Zusammenfassung hinsichtlich der
Anzahl der zusammenzufassenden Verzahnungselemente sowie der Anzahl
der vorzunehmenden Erfassungen variieren. Zusätzlich besteht die
Möglichkeit, die einzelnen Verzahnungselemente, auch die durch
Zusammenfassung entstandenen, mit unterschiedlicher Geometrie zueinander
auszugestalten. Insbesondere können die einzelnen Verzahnungen
hinsichtlich der Winkel der Flanken differieren.
Die in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungen der
erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Hirth-Stirnverzahnung wird
vorzugsweise für die formschlüssige Kopplung zweier Maschinenelemente 2
bzw. 2' zur Verminderung der axialen Vorspannkräfte beim Betrieb in einer
Drehrichtung verwendet. Diese Rotationsrichtung ist in der Fig. 1
eingezeichnet. In diesem Fall kann die Anzahl der Mittel zum Aufbringen einer
axialen Vorspannkraft zwischen den beiden Maschinenelementen 2 bzw. 2'
stark reduziert werden. Bei einem Winkel der in Rotationsrichtung ersten
Flanke von 0 Grad kann u. U. entsprechend des Einsatzfalles gänzlich auf
zusätzliche Mittel zum Aufbringen einer axialen Vorspannkraft zwischen den
beiden miteinander zu koppelnden Maschinenelementen verzichtet werden.
Es ist jedoch auch denkbar, für die steile Flanke einen negativen Winkel zu
verwenden. Es kommt dann zum Einhaken des zweiten Maschinenelementes
in das erste Maschinenelement. Diese Möglichkeit ist in Fig. 5 dargestellt.
Die erfindungsgemäße unsymmetrische Ausgestaltung der Hirth-Stirn
verzahnung bietet des weiteren die Möglichkeit, die beiden mit
zueinander komplementären Verzahnungen ausgeführten Maschinenelemente
als Sicherheitskupplungen in Form einer sogenannten Überholkupplung
einzusetzen. Dies ist dann der Fall, wenn der Einsatz zum Zwecke der
Drehmomentenübertragung bei einer Rotationsrichtung des ersten
Maschinenteiles 2 entgegen der in der Fig. 1a eingezeichneten erfolgt.
Entsprechend der Größe der auftretenden Axialkräfte kann in diesem Fall ein
Gleiten der einzelnen aufeinanderliegenden Flanken der beiden mit
zueinander komplementären Verzahnungen 1 bzw. 1' versehenen
Maschinenelemente 2 und 2' erfolgen. Das Abgleiten erfolgt an der flacheren
Flanke, welche dann in Rotationsrichtung die erste Flanke des einzelnen
Verzahnungselementes ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ist als Verbindungselement in einer Vielzahl
von Einsatzbeispielen zur Drehmomentenübertragung verwendbar. Die
konkrete Ausgestaltung, d. h. die Auslegung der Geometrie sowie die
Anordnung an den einzelnen miteinander zu koppelnden Elementen und die
Wahl der Einbaulage erfolgt entsprechend dem konkreten Einsatzfall. Die in
den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsmöglichkeiten dienen lediglich
der Verdeutlichung des Grundprinzips der Wirkungsweise einer
unsymmetrisch gestalteten Hirth-Stirnverzahnung und sind damit keinesfalls
als Beschränkung auf diese beiden Ausführungsbeispiele gedacht.
Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung eines Maschinenelementes mit der
erfindungsgemäß gestalteten Hirth-Stirnverzahnung ist in der Fig. 3
dargestellt. Daraus wird ersichtlich, daß es keineswegs erforderlich ist, die
einzelnen Verzahnungselemente in Umfangsrichtung des einzelnen
Maschinenelementes 2 mit konstantem Abstand und der gleichen Geometrie
zu versehen. Auch hier bilden die einzelnen Verzahnungselemente
Verzahnungssegmente entsprechend der Fig. 2, wobei jedoch in der Fig. 3
keine einzelnen Verzahnungselemente zu einem Verzahnungselement
zusammengefaßt werden, sondern Verzahnungselemente aus dem
Verzahnungskranz herausgenommen werden. Es entstehen dann sogenannte
in Umfangsrichtung des Maschinenelementes angeordnete Segmente, die frei
von einer Verzahnung sind. Diese sind hier stellvertretend mit 18, 19, 20 und
21 bezeichnet. Dabei umfaßt das Verzahnungssegment 19 mehrere einzelne
Verzahnungselemente. Die Auslegung der Geometrie der einzelnen
Verzahnungselemente, die zwischen den Verzahnungselementen angeordnet
sind, der Verzahnungssegmente sowie der Anzahl der Verzahnungssegmente
erfolgt entsprechend den konkreten Einsatzerfordernissen des Einzelfalls.
Die Fig. 4 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung anhand eines
Maschinenelementes 2.4 eine weitere Ausführung für eine erfindungsgemäß
gestaltete unsymmetrisch Hirth-Stirnverzahnung. Es wurde nur ein
Maschinenelement dargestellt, daß zweite ist komplementär zum ersten
hinsichtlich der Verzahnung ausgeführt. Beide Maschinenelemente 2.4 und
das mit komplementärer Verzahnung ausgeführte und hier nicht dargestellte
zweite Maschinenelement umfassen dazu Bereiche, welche auch als
Segmente 23 bzw. 24 und 25 bzw. 26 bezeichnet werden können, die
dadurch gekennzeichnet sind, daß die einzelnen Verzahnungselemente
hinsichtlich ihrer Ausrichtung unterschiedlich bzw. entgegengesetzt
ausgerichtet sind. Das Segment 25 des Maschinenelementes 2.4 umfaßt die
Verzahnungselemente 27, 28, 29, 30, 31, das Segment 26 die
Verzahnungselemente 32 bis 36. Bezogen auf die Rotationsrichtung sind die
Flanken der Verzahnungselemente 32 bis 36 wenigstens hinsichtlich der
flacheren Flanke entgegengesetzt zu denen der Verzahnungselemente 27 bis
31 ausgerichtet. Diese Aussage gilt auch für die Segmente 23 und 24. Das
zum Maschinenelement 2.4 komplementäre und hier nicht dargestellt
Maschinenelement weist die entsprechend komplementäre Verzahnung auf.
Die unterschiedlich ausgerichteten Verzahnungssegmente ermöglichen es,
daß eine axiale Vorspannkraft unabhängig von der Drehrichtung des
Maschinenelementes, insbesondere des Maschinenelementes auf der
Antriebsseite, hier mit 2.4 bezeichnet, unabhängig von der Drehrichtung
eingesetzt werden kann. Dazu ist es jedoch erforderlich, um überhaupt eine
formflüssige Verbindung zwischen den zueinander komplementären
Verzahnungssegmenten der einzelnen Maschinenelemente 2.4 zu realisieren,
den Übergangsbereich zwischen zwei unterschiedlich ausgerichteten
Verzahnungssegmenten entsprechend zu gestalten. Dies kann beispielsweise
mittels von Verzahnung freien Bereichen für das Maschinenelement 2.4
realisiert werden, während das andere komplementär verzahnte
Maschinenelement dann einen, den von der Verzahnung freien Bereich am
Maschinenelement 2.4 ausfüllt oder einen Freiraum bildet. Die Lückenbereiche
sind hier mit 37, 38, 39 und 40 bezeichnet.
Die in der Figur dargestellte Möglichkeit ist jedoch nur dann realisierbar, wenn
kein negativer Flankenwinkel vorliegt. Vorzugsweise wird der Flankenwinkel
der steileren Flanke ungleich 0° betragen.
Vorzugsweise werden die mit entgegengesetzt ausgerichteter Verzahnung
ausgebildeten Segmente in Umfangsrichtung derart angeordnet, daß diese
symmetrisch über den Umfang verteilt sind. Im vorliegenden Fall bedeutet
dies eine analoge Ausführung der einander gegenüberliegenden Segmente
25 und 23 und 24 und 26.
Die Fig. 5 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung anhand eines
Maschinenelementes 2.5 eine weitere Ausführung für eine erfindungsgemäß
gestaltete unsymmetrisch Hirth-Stirnverzahnung. Es wurde nur ein
Maschinenelement dargestellt, das zweite ist komplementär zum ersten
hinsichtlich der Verzahnung ausgeführt. Beide Maschinenelemente 2.5 und
das mit komplementärer Verzahnung ausgeführte und hier nicht dargestellte
zweite Maschinenelement umfassen Verzahnungselemente, hier mit 40
bezeichnet, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die einzelnen
Verzahnungselemente hinsichtlich der steileren Flanke einen negativen
Flankenwinkel aufweisen, d. h. der Winkel. Die Fig. 4 verdeutlicht in
schematisch vereinfachter Darstellung anhand eines Maschinenelementes 2.4
eine weitere Ausführung für eine erfindungsgemäß gestaltete unsymmetrisch
Hirth-Stirnverzahnung. Es wurde nur ein Maschinenelement dargestellt, das
zweite ist komplementär zum ersten hinsichtlich der Verzahnung ausgeführt.
Beide Maschinenelemente 2.4 und das mit komplementärer Verzahnung
ausgeführte und hier nicht dargestellte zweite Maschinenelement umfassen
dazu Bereiche, welche auch als Segmente 23 bzw. 24 und 25 bzw. 26
bezeichnet werden können, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die
einzelnen Verzahnungselemente hinsichtlich ihrer Ausrichtung unterschiedlich
bzw. entgegengesetzt ausgerichtet sind.
Claims (8)
1. Hirth-stirnverzahntes Maschinenelement, dadurch gekennzeichnet, daß
einzelne Verzahnungselemente (3, 4, 5, 27-31, 32-36, 40)
unsymmetrisch ausgeführt sind.
2. Hirth-stirnverzahntes Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das einzelne Verzahnungselement (3, 4, 5, 27-31,
32-36) einen ersten Flankenwinkel von 0≦29 Grad und einen zweiten
Flankenwinkel von 29<80 Grad aufweist, wobei der Flankenwinkel
sich durch den Winkel der durch die Flanke beschriebenen Ebene
(E13a, E14a, E15a, E23b, E24b, E25b) zu einer Ebene, welche der
senkrecht zur Rotationssymmetrieebene verlaufenden Ebene entspricht
und durch die Rotationssymmetrieachse (S) und die Flankenlinie
beschreibbar ist, charakterisiert ist.
3. Hirth-verzahntes Maschinenelement nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Flankenwinkel der steileren Flanke <0° ist.
4. Hirth-stirnverzahntes Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen
Verzahnungselemente (3, 4, 5, 27-31, 32-36) die gleiche Geometrie
aufweisen.
5. Hirth-stirnverzahntes Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Flanke mit der flacheren
Neigung in Umfangsrichtung betrachtet von der jeweils ersten Flanke
des Verzahnungselementes gebildet wird.
6. Hirth-stirnverzahntes Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl einzelner
Verzahnungselemente zu einem einzigen Verzahnungselement (14, 16)
unter Bildung einer Anschlagsfläche zusammengefaßt sind.
7. Hirth-stirnverzahntes Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung betrachtet
wenigstens ein Teilbereich in der Verzahnung (18, 19, 20) vorgesehen
ist, welche frei von Verzahnungselementen ist.
8. Hirth-verzahntes Maschinenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl einzelner
Verzahnungselemente (27-31, 32-36) zu einem Verzahnungssegment
(25, 26, 23, 24) zusammengefaßt wird, welches dadurch charakterisiert
ist, daß die Verzahnungselemente in den einzelnen
Verzahnungssegmenten unterschiedlich hinsichtlich des Flankenwinkels
ausgerichtet sind.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19805676A DE19805676A1 (de) | 1998-02-12 | 1998-02-12 | Hirth-verzahntes Maschinenelement |
PCT/EP1999/000893 WO1999041513A1 (de) | 1998-02-12 | 1999-02-11 | Hirth-verzahntes maschinenelement |
EP99908876A EP1053408A1 (de) | 1998-02-12 | 1999-02-11 | Hirth-verzahntes maschinenelement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19805676A DE19805676A1 (de) | 1998-02-12 | 1998-02-12 | Hirth-verzahntes Maschinenelement |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19805676A1 true DE19805676A1 (de) | 1999-09-09 |
Family
ID=7857469
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19805676A Withdrawn DE19805676A1 (de) | 1998-02-12 | 1998-02-12 | Hirth-verzahntes Maschinenelement |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19805676A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001061273A1 (de) * | 2000-02-16 | 2001-08-23 | Carl Zeiss | Dreh-schwenkeinrichtung für den tastkopf eines koordinatenmessgerätes |
DE102007058514A1 (de) * | 2007-12-05 | 2009-06-10 | Zf Friedrichshafen Ag | Kopplungsanordnung |
DE102008030496B4 (de) | 2008-06-26 | 2022-12-08 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Baugruppe mit Stirnverzahnung |
-
1998
- 1998-02-12 DE DE19805676A patent/DE19805676A1/de not_active Withdrawn
Non-Patent Citations (2)
Title |
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KRAUSE, W.: Konstruktionselemente der Feinme- chanik, Carl Hanser Verlag München Wien 1989 S.504/505 * |
NIEMANN, G.: Maschinenelemente, Bd.I, Springer- Verlag Berlin Heidelberg New York 1981, S.381/ 383 * |
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DE102008030496B4 (de) | 2008-06-26 | 2022-12-08 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Baugruppe mit Stirnverzahnung |
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Legal Events
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