DE2808030A1 - Verbesserte konkav-konvex-getriebe - Google Patents

Verbesserte konkav-konvex-getriebe

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DE2808030A1
DE2808030A1 DE19782808030 DE2808030A DE2808030A1 DE 2808030 A1 DE2808030 A1 DE 2808030A1 DE 19782808030 DE19782808030 DE 19782808030 DE 2808030 A DE2808030 A DE 2808030A DE 2808030 A1 DE2808030 A1 DE 2808030A1
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DE19782808030
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William S Rouverol
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H55/00Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02Toothed members; Worms
    • F16H55/08Profiling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Gears, Cams (AREA)

Description

  • Zusammenfassung der Beschreibung
  • Der Hauptnachteil von konkav-konvex Getrieben ist ihre starke Empfindlichkeit gegen Achsenabstands-Fehlern. Ein verbesserter Typ von konkav-konvex Getrieben wird vorgestellt, in dem der konkave Zahn viel flexibler als der konvexe Zahn ist. Dadurch wird die Neigung der Zahnbelastung, bei einem zu großen Achsenabstand auf die Spitze des konkaven Zahns zu wirken, ausgeglichen durch die Zahnbiegung, wodurch der Krümmungsmittelpunkt des konkaven Profils um eine beträchtliche Strecke in Richtung der Achse des Zahnrads mit den konvexen Zähnen verschoben wird. Dieses vergrößert den Eingriffswinkel in genügendem Maße, um eine Überbelastung der Spitze des konkaven Zahns zu verhindern.
  • Das Haupthindernis zur erfolgreichen Anwendung von konkav-konvex Getrieben ist die Kontrolle des Achsenabstands.
  • Bisher wurden zwei Wege beschritten, um diese Empfindlichkeit gegen Achsenabstands-Fehlern zu reduzieren. In den meisten Fällen wurde ein beträchtlicher Unterschied - bis zu 15% -zwischen den Radien der konkaven und konvexen Profile gemacht. Ausserdem wurde vorgeschlagen, als Profile eher leicht spiralförmige als kreisförmige Bögen zu nehmen U.S. Patent Nr. 3.937.098 und Nr. 3.982.445).
  • Der Nachteil dieser beiden Methoden liegt darin, daß sie keine Lösung liefern, die ein Erreichen der maximalen Lebensdauer der Zahnräder zuläßt. Der Grund dafür ist, daß konkav-konvex Getriebe ihre Übereinstimmung mit der Benutzungsdauer erhöhen und allmählich Profile einnehmen, die fast genau Kreisbögen in der Querschnittsebene sind mit Mittelpunkten, die sich immer mehr dem Wälzpunkt annähern.
  • Wenn sich konkav-konvex Getriebe einmal in diesen Zustand eingelaufen haben, mit Profilbogen-Mittelpunkten, die beide (nahe) am Wälzpunkt liegen, dann verursacht jede kleinere Belastungsspitze, die die Wellenausbiegung erhöht, oder jeder zusätzliche Lagerverschleiß ein Annähern des Eingriffewinkels gegen Null. Dadurch verschiebt sich die gesamte Zahnbelastung zur Spitze der konkaven Zähne und ein schneller Ausfall kann die Folge sein. In der Tat wurde beobachtet, daß oftmals Getriebe, die über viele Jahre hinweg zufriedenstellend gearbeitet haben, plötzlich mit einem Bruch der konkaven Zähne ausfallen. Mit großer Wahrscheinlichkeit ist es diese gesteigerte Empfindlichkeit gegenüber Achsenabstands-Fehlern in Zusammenwirken mit einer Belastungsspitze oder der unvermeidlichen, allmählichen Zunahme des Lagervei'scheißes nach ldnger Benutzungsdauer, die den Ausfall verursacht.
  • Es ist daher das Hauptanliegen dieser Erfindung, ein Zahnprofil bereitzustellen, das zwar die Hauptvorteile gut passender Profile hat, insbesondere ein höheres Drehmoment-Übertragungsvermögen, dagegen aber die Neigung der konkavkonvex Getriebe ausschaltet, nach langer Einsatzzeit auszufallen wegen erhöhter Empfindlichkeit gegunüber ;inderungen des Achsenabstandes, weil sich die Zahnräder in eine immer grössere Übereinstimmung einlaufen. Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden im folgenden durch die Abbildungen und die genaue Beschreibung deutlich.
  • Abb.l ist ein Teil eines Querschnittes durch ein Paar miteinander kämmender Zahnräder und veranschaulicht die Erfindung anhand typischer Zähne.
  • Abb.2 ist eine schematische Skizze eines eingespannten Balkens mit einer dreieckigen Erweiterung an seinem freien Ende D Die gestrichelten Linien zeigen, wie eine Ausbiegung des Balkens aufgrund der Last W die Dreiecksspitze von der Ausgangsstellung des Balkens wegbewegt.
  • Im einzelnen zeigt Abb.l das Ritzel 11 mit typischen Zähnen 12 und konvexen Eingriffsflächen 13, die auf die konkaven Eingriffsflächen 14 der Zähne 15 des größeren Zahnrades 16 einwirken. Die konvexen Zähne bestehen nur aus dem Zahnkopf (Teil oberhalb des Teilkreises), die konkaven Zähne nur aus dem Zahnfuß (Teil unterhalb des Teilkreises), wobei die letzteren tiefe Rillen 17 zwischen angrenzenden Zähnen zur Erhöhung ihrer Flexibilität haben. (Die anderen Teile der Zahnräder 11 und 16, wie Ränder, Stirnflächen, Naben usw. sind von herkömmlicher Bauart und weggelàssen im Interesse der Klarheit).
  • Wenn das Zahnradpaar mit dem richtigen Achsenabstand zusammengebaut wurde und ein Drehmoment überträgt, tangieren sich die Teilkreise 18, 19 im Wälzpunkt P, der auch der Mittelpunkt sowohl des konvexen als auch des konkaven Kreisbogens der Zahnprofile 13, 14 ist. Die resultierende Zahnbelastung W geht ungefähr durch C, dem Mittelpunkt der Zahneingriffsflächen.
  • Wenn die Zahnräder 11, 16 mit zu geringem Achsenabstand zusammengebaut wurden, wirkt die Kraft W mehr in die Richtung PA und es tritt nur eine sehr geringe Biegung des Zahns 15 ein. Bei zu großem Achsenabstand andererseits verläuft die Eingriffslinie mehr in Richtung PB und es tritt eine beträchtliche Biegung des konkaven Zahns 15 ein, weil die Tangentialkomponente der Kraft W auf den konkaven Zahn im Punkte B übertragen wird, der eine große Entfernung zum Zahnfuß D hat. Der Hebelarm BD ist so gross, daß der Zahn 15 stark gebogen wird und sich damit der Effekt, wie in Abb. dargestellt, einstellt.
  • In Abb.2 ist ein ebener Balken 21 fest in eine Wand eingespannt. Das Ende des Balkens 21 hat eine dreieckige Erweiterung FPE, die einen großen Winkel GFP mit dem ebenen Teil des Balkens 21 bildet. Die Spitze P des dreieckigen Teils FPE hat gleiche Entfernung von F und E, so daß sie als Mittelpunkt eines Kreisbogens (gestrichelte Linie) durch E und F angesehen werden kann.
  • Wirkt eine Kraft auf das Gebilde nach Abb.2 im Punkte B derart, daß die Richtungslinie der Kraft den Bogen EF ungefähr in seinem Mittelpunkt C schneidet, so wird der ebene Teil des Gebildes um die Strecke FF t verschoben.
  • Sein Ende FE wird dabei um einen Winkel gedreht, der direkt proportional zur Kraft W und dem Quadrat der Länge des ebenen Balkenteils ist (von C bis zum Fuss HG). Diese Drehung des Bogens EF in die Position EsF' dreht den dreieckigen Teil FPE in die Lage F'PE' (gestrichelte Linien).
  • Der Mittelpunkt P des Bogens EF bewegt sich nicht nur nach links, sondern aufgrund der Drehung (vergrößerte Neigung) des Balkenendes in die Lage EVF? auch nach unten, und zwar um die StreckeA.
  • Mit den Bezeichnungen in Abb.l ist diese Bewegung des Punktes P weg von der Grundlinie 22 in Abb.2 identisch mit einer Bewegung der Achse des Zahnrades 15 näher an die Achse des Ritzels 11 heran und daher mit einer Verschiebung der Eingriffslinie von der Richtung PC (oder im schlimmsten Falle PB) in die Richtung PA. Anders ausgedrückt, die erhöhte Flexibilität des konkaven Zahns 15 aufgrund der Rille 17 erzeugt eine automatische Korrektur für einen zu großen Achsenabstand. Da gerade durch diese Art von Montagefehler die Überbelastungen an den Spitzen der konkaven Zähne bei den konventionellen konkav-konvex Getrieben erzeugt werden, kann gesagt werden, daß die erhöhte Flexibilität der konkaven Zähne 15 eine automatische Korrektur für die Arten von Achsenabstandsfehlern liefert, die Zahnbruch verursachen.
  • Es ist klar, daß es andere Methoden zur Erhöhung der Flexibilität der konkaven Zähne gibt. Viele Formen von Rillen oder Ausschnitten 17 sind möglich, obwohl die meisten größere Spannungen im Zahnfuß als die parabolische Kontur in Abb.l verursachen. Außerdem kann die Rille 17 teilweise oder ganz weggelassen werden, wenn die Zähne 15 des Zahnrads 16 aus einem Material mit einem viel niedrigeren Elastizitätsmodul als die Zähne 12 des Ritzels 11 gefertigt werden.
  • Zum Beispiel können die Zähne 15 aus Plastik, die Zähne 12 aus Metall hergestellt werden, oder die Zähne beider Räder können aus Plastik hergestellt werden, wobei jene des Ritzels 11 mit Glas oder einem anderen Füllstoff verstärkt werden, um sie weniger flexibel zu machen. Im allgemeinen kann das Problem der Abmessungs-Instabilitäten von Plastik oder ähnlichen Materialien, die für die konkaven Zähne benutzt werden könnten, abgeschwächt werden, indem man die Habe und den Kranzträger des Zahnrades mit den konkaven Zähnen aus einem Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten herstellt, wie z.B. aus Metall.
  • Die Größe der korrigierenden Verschiebungh des Bogen-Mittelpunktes P in Abb.2 hängt nicht nur von der Größe und Richtung der Kraft W ab, sondern auch vom Verhältnis Länge zu Dicke des Balkens 21 und vom Elastizitätsmodul des Balkenmaterials. Daher muß zur Erreichung einer genügend großen derartigen Verschiebung bei wirklichen Getriebezähnen, so daß typische Achsenabstands-Fehler ausgeglichen werden, die Biegsamkeit der konkaven Zähne (d.h. der Betrag der Ausbiegung unter einer gegebenen Tangentialbelastung) mindestens dreimal so groß sein wie die der konvexen Zähne.
  • Diese erhöhte Biegsamkeit kann entweder durch ein größeres Längen - zu Dickenverhältnis oder durch einen niedrigeren Elastizitätsmodul bei den konkaven Zähnen als bei den konvexen Zähnen oder durch eine Kombination beider Einflussgrössen erreicht werden.
  • Wie in herkömmlichen konkav-konvex Getrieben werden die Zähne zu Kreisbögen in der Querschnitts - oder in der Normal - ebene geformt, mit Mittelpunkten im oder nahe dem gemeinsamen Teilungselement. Maximale Tragfähigkeit der Eingriffsflächen erhält man, wenn die Radien der konkaven und konvexen Zahnprofilbögen nahezu gleich sind. Der Radius des konkaven Kreisbogens kann jedoch um 5 bis 10% größer gemacht werden als der des konvexen Bogens, wenn das Getriebe dort angewendet wird, wo man eine Anpassung der Zahnräder während einer Einlaufphase an den Achsenabstand, mit dem sie zusammengesetzt wurden, zulassen kann oder als Alternative, wenn man die Zahnräder für ein etwas geringeres Drehmomenten-Übertragungsvermögen auslegt als das, das sie haben werden, wenn die Profilradien nahezu gleich geworden sind.
  • Soll das hier dargestellte Getriebe einen möglichst gleichmäßigen und ruhigen Lauf haben, dann sollten die Zähne schraubenförmig (oder spiralförmig bei Kegeltrieben) sein.
  • Nur in Getrieben mit einer sehr großen Zähnezahl beim Ritzel oder bei einem innenlaufenden Zahnrad oder, wo beides auftritt, kann man Gerad - oder Kegelverzah - nung benutzen. Zahnprofile des Typs, wie in U.S. Patent Nr. 3.982.444 aufgeführt, sind anwendbar.
  • Es ist klar, daß die Zähne gemäß Abb.l nicht symmetrisch zu sein brauchen. In Getrieben, in denen ein großes Drehmoment nur in eine Richtung übertragen wird, können die Zahneingriffsflächen 13, 14, die die große Drehmomentenbelastung erfahren, konkav-konvex sein - wie gezeigt -, wohingegen die entgegengesetzten Zahnflächen Evolventen oder andere passende Profilkurven haben können.
  • Leerseite

Claims (13)

  1. Ich beanspruche: Ein Paar miteinander kämmender Zahnräder -bestehend aus einem ersten Zahnrad mit Zähnen, deren Profile im wesentlichen konvexe Kreisbögen sind, und aus einem zweiten Zahnrad mit Zähnen, deren Profile im wesentlichen konkave Kreisbögen sind wobei die beschriebenen Zähne des beschriebenen zweiten Zahnrads aus einem Material mit einem besonderen Elastizitätsmodul gefertigt sind und ein Verhältnis von Gesamthöhe zur Zahndicke haben, wodurch insgesamt eine Ausbiegung dieser Zähne unter Belastung auftritt, die mindestens dreimal so groß ist wie die der Zähne des beschriebenen ersten Zahnrads.
  2. 2. Ein Paar miteinander kämmender Zahnräder gemäß Anspruch 1, bei dem die Radien der beschriebenen konkaven Kreisbögen höchstens um 10% größer sind als die Radien der beschriebenen konvexen Kreisbögen.
  3. 3. Ein Paar miteinander kämmender Zahnräder gemäß Anspruch 1, bei dem die beschriebenen Zähne schräg bezüglich des Wälzlinienelements beider beschriebenen Zahnräder angeordnet sind.
  4. 4. Ein Paar miteinander kämmender Zahnräder gemäß Anspruch 1, bei dem die Gesamt-Zahnhöhe des beschriebenen zweiten Zahnrads wesentlich größer ist als die des beschriebenen ersten Zahnrads.
  5. 5. Ein Paar miteinander kämmender Zahnräder gemäß Anspruch 1, bei dem der Elastizitätsmodul des beschriebenen zweiten Zahnrads kleiner als ein Drittel desjenigen des beschriebenen ersten Zahnrads ist.
  6. 6. Ein Paar miteinander kämmender Zahnräder gemäß Anspruch 1, bei dem die beschriebenen Zahnprofile Kreisbögen in der Querschnittsebene sind.
  7. 1. Ein Paar miteinander kämmender Zahnräder gemäß Anspruch 1, bei dem die beschriebenen Zahnprofile Kreisbögen in Normalebenen zu den Zahnflanken sind.
  8. 8. Ein Paar miteinander kämmender Zahnräder gemäß Anspruch 4, bei dem die Gesamthöhe des beschriebenen zweiten Zahnrads die Tiefe eines Schlitzes zwischen angrenzenden Zähnen zur Erhöhung der Biegsamkeit dieser Zähne einschließt.
  9. 9. Ein Paar miteinander kämmender Zahnräder gemäß Anspruch 1, bei dem die Zähne des beschriebenen ersten Zahnrads aus Metall und die Zähne des beschriebenen zweiten Zahnrads aus Plastik-Werkstoffen gefertigt sind.
  10. 10. Ein Paar miteinander kämmender Zahnräder gemäß Anspruch 1, bei dem die Mittelpunkte der beschriebenen Kreisbögen in der Nähe des gemeinsamen Wälzlinienelements liegen.
  11. 11. Ein Paar miteinander kämmender Zahnräder gemäß Anspruch 8, bei dem das Profil des beschriebenen Schlitzes eine Kurve von annähernd parabolischer Form ist.
  12. 12. Ein Paar miteinander kämmender Zahnräder gemäß Anspruch 1, bei dem die Profile der beschriebenen Zähne in der Querschnittsebene nicht symmetrisch zu ihren Mittellinien sind.
  13. 13. Ein Paar miteinander kämmender Zahnräder gemäß Anspruch 1, bei dem das Material des Teils des beschriebenen zweiten Zahnrads zwischen den Zähnen und der Welle, auf der dieses Zahnrad montiert ist, einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das Material der beschriebenen Zähne.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005088168A1 (de) * 2004-03-11 2005-09-22 Ims Gear Gmbh Motorhilfsantrieb eines kraftfahrzeuges mit einem zahnradgetriebe
DE202024102854U1 (de) 2023-09-04 2024-06-27 Bernhardt Brehm Hochleistungsgetriebe

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WO2005088168A1 (de) * 2004-03-11 2005-09-22 Ims Gear Gmbh Motorhilfsantrieb eines kraftfahrzeuges mit einem zahnradgetriebe
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