DE2818332A1

DE2818332A1 - Verfahren zur herstellung einer antriebswelle mit balligen aussenkeilzaehnen

Info

Publication number: DE2818332A1
Application number: DE19782818332
Authority: DE
Inventors: Hugh L Mcdermott
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1977-04-29
Filing date: 1978-04-26
Publication date: 1978-11-02
Also published as: FR2389026B1; IT1094981B; AU515110B2; AU3544778A; AR213578A1; GB1577411A; FR2389026A1; JPS6124135B2; US4132090A; JPS53136796A; PL206412A1; DE2818332C2; BR7802724A; CA1091942A; IT7822879A0

Description

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75-CLP-246

EATON CORPORATION 100 Erieview Plaza, Cleveland, Ohio 44114, V.St.A.

Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle mit balligen Außenkeilzähnen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle mit balligen Außenkeilzähnen.

Aus der nachstehenden Erläuterung folgt, daß die vorliegende Erfindung überall dort anwendbar ist, wo eine Welle mit einer Gruppe von balligen Evolventenaußenkeilzähnen ausgestattet ist, die Drehmoment zu oder von einer Gruppe von geraden Evolventeninnenkeilzähnen übertragen, wobei die Innen- und Außenkeilzähne unter Bildung einer Art Universalgelenk miteinander zusammenwirken und wobei die Achse der die Außenkeilzähne tragenden Welle nicht parallel zu der Achse des zugehörigen Bauteils mit der Gruppe von Innenkeilzähnen verläuft. Dementsprechend eignet sich der Erfindungsgegenstand für eine einzelne Gruppe von balligen

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Außenkeilzähnen auf einer Welle, an deren anderem Ende eine andere Art von Universalgelenk vorgesehen ist, ebenso wie für eine Antriebswelle, die an beiden Enden Gruppen von balligen Außenkeilzähnen tragt.

Der Erfindungsgegenstand ist von besonderem Vorteil bei einer Antriebsverbindung zum Übertragen von Drehmoment zwischen einem Bauteil, das eine reine Drehbewegung ausführt, und einem Bauteil, das sowohl eine kreisende Bewegung als auch eine Drehbewegung ausführt. Eine solche Antriebsanordnung findet sich im allgemeinen bei fluidbetätigten Rotationskolbenvorrichtungen (insbesondere Motoren oder Pumpen), die mit einem parallel- und innenachsigen Rädersatz, bestehend aus einem außenverzahnten Innenzahnrad und einem damit in Kämmeingriff stehenden innenverzahnten Außenzahnrad (im folgenden kurz als Gerotorzahnradsatz bezeichnet) versehen sind.

Fluidmotore mit einem Gerotorzahnradsatz zur Umwandlung eines Fluiddruckes in eine Rotationsbewegung haben weite Verbreitung gefunden; sie eignen sich insbesondere für Anwendungen, bei denen niedrige Drehzahlen und hohe Drehmomente auftreten. Bei den meisten kommerziell verfügbaren Fluidmotoren dieser Art ist einer der Hauptfaktoren, welche die Drehmomentabgabefähigkeit des Motors begrenzen, die Festigkeit der Antriebsverbindung, die das Drehmoment

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von dem kreisenden und rotierenden Bauteil (Rotor) des Gerotorzahnradsatzes auf die Abtriebswelle des Motors überträgt. Typischerweise umfaßt diese Antriebsverbindung eine von dem Rotor gebildete Innenkeilverzahnung, eine von einem vergrößerten Teil der Abtriebswelle gebildete Innenkeilverzahnung und eine Hauptantriebswelle, die an beiden Enden mit den Innenkeilverzahnungen in Eingriff stehende Außenkeilverzahnungen trägt. Die Innenkeilzähne sind in der Regel gerade, während die Außenkeilzähne ballig sind, um den Winkel zu berücksichtigen, den die Antriebswelle mit Bezug auf die .Drehachse des Motors bildet.

Ballige Keilzähne werden für gewöhnlich durch steigendes und fallendes Wälzfräsen hergestellt, insbesondere wenn es sich um große Produktionsvolumen handelt. Wenn eine ballige Außenkeilverzahnung durch steigendes und fallendes Wälzfräsen gefertigt wird, sind die einzelnen Keilzähne, wie bekannt, normalerweise symmetrisch mit Bezug auf eine Mittelebene, die senkrecht zu der Achse der Antriebswelle verläuft, wobei die Ebene jeden der Keilzähne an der theoretischen "Spitze" der Wölbung schneidet. Wie außerdem bekannt ist, muß ferner der Wölbungswinkel der Außenkeilzähne ausreichend groß bemessen sein, damit in jedem axialen Abstand von der Mittelachse entlang dem Außenkeilzahn ein Spiel zwischen dem Außenkeilzahn und

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dem benachbarten Innenkeilzahn (gemessen senkrecht zur Flanke des Außenkeilzahns bei zu der Achse der Innenkeilzähne paralleler Achse der Welle) verbleibt, um während des Betriebes der Vorrichtung eine störende Beeinflussung zwischen benachbarten Keilzähnen zu verhindern.

Zu den Faktoren, die die Drehmomentbelastbarkeit dieser Art von Antriebsverbindung bestimmen, gehören die Keilzahnlänge (d.h. die axiale Länge der einzelnen Außenkeilzähne) und der Schaftdurchmesser (d.h. der Durchmesser der Welle zwischen den Außenkeilverzahnungen). Ein Versuch, die Drehmomentbelastbarkeit einer Antriebswelle zu erhöhen, indem entweder die Zahnlänge oder der Schaftdurchmesser vergrößert werden, wird durch die wechselseitige Abhängigkeit dieser beiden Faktoren begrenzt. Wenn bei Außenkeilzähnen, die durch steigendes und fallendes Wälzfräsen hergestellt werden, die Zahnlänge vergrößert wird, nimmt die Schnittiefe in Richtung auf die Enden der Keilverzahnung zu. Der Schaftdurchmesser müßte infolgedessen verringert werden; andernfalls würde der Wälzfräser in den dem Ende des Keilzahns benachbarten Schaft eindringen und den Schaft schwächen. Wenn umgekehrt der Schaftdurchmesser vergrößert wird, müßte die Keilzahnlänge verringert werden, um die Schnittiefe an den Enden des Keilzahns zu verkleinern und dadurch ein Eindringen des Wälzfräsers in den Schaft zu verhindern.

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Neben der Drehmomentbelastbarkeit ist auch die Lebensdauer der Keilzähne in Betracht zu ziehen. Als grober Anhalt gilt, daß bei vorgegebenem Drehmoment die Lebensdauer der Keilzähne ungefähr proportional der Keilzahnlänge ist, oder daß bei vorgegebener Keilzahnlebensdauer das Drehmoment näherungsweise proportional der Keilzahnlänge ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Antriebsverbindung der geschilderten Art zu schaffen, die es gestattet, die Drehmomentbelastbarkeit und/oder die Lebensdauer der Verbindung zu erhöhen. Es sollen eine Antriebswelle und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Welle erhalten werden, die die Möglichkeit bieten, entweder die Keilzahnlänge oder den Schaftdurchmesser zu vergrößern, ohne daß eine proportionale Verkleinerung der jeweils anderen Abmessung notwendig wird, so daß die Leistungsfähigkeit der Antriebswelle als Ganzes gesteigert wird. Insbesondere soll ein Verfahren zum Wälzfräsen einer Gruppe von balligen Evolventenaußenkeilzähnen auf einer Welle der vorstehend geschilderten Art geschaffen werden, wobei in jedem beliebigen vorgegebenen Axialabstand entlang dem Keilzahn von der Mittelebene die Schnittiefe .vermindert wird, ohne daß es zu einer Verkleinerung des Spiels zwischen dem Außenkeilzahn und dem benachbarten Innenkeilzahn kommt.

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- 1O -

Die vorstehend genannten Verbesserungen sollen erreicht werden können, ohne daß die balligen Außenkeilzähne von der echten Evolventenform wesentlich abweichen.

Eine Antriebswelle der vorliegend betrachteten Art weist eine erste und eine zweite Gruppe von axial verlaufenden, balligen Außenkeilzähnen zum Übertragen von Drehmoment zwischen einer ersten und einer zweiten Gruppe von geraden Innenkeilzähnen auf. Die Gruppen der geraden Innenkeilzähne haben eine Exzentrizität E, während die beiden Gruppen der balligen Außenkeilzähne eine im wesentlichen senkrecht zu der Achse der Welle ausgerichtete Mittelebene aufweisen. Die Welle hat eine axiale Länge L zwischen der ersten und der zweiten Mittelebene; sie bildet einen Laufwinkel A = aresin E/L. Jeder der Außenkeilzähne hat einen primären Eingriffswinkel 0_; er ist ausreichend ballig gemacht, um für ein Spiel X zwischen dem Außenkeilzahn und dem benachbarten Innenkeilzahn bei jedem vorgegebenen axialen Abstand Y entlang dem Außenkeilzahn von der Mittelebene zu sorgen. Das Spiel X und der axiale Abstand Y sind durch die Gleichung X=Y tan A miteinander verknüpft. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Wälzfräser mit Schneidzähnen mit einem Eingriffswinkel 0_U verwendet, wobei 0.. größer als 0_ ist.

π Ho

Der Wälzfräser wird zum Wälzfräsen der Keilzähne gedreht. Gleichzeitig wird der Wälzfräser in Längsrichtung der

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Außenkeilzähne derart vorgeschoben, daß die Achse des Wälzfräsers einer von einer variablen Größe Z bestimmten Bahn folgt. Die Größe Z ist die radial einwärts gerichtete Bewegung (d.h. die Schnittiefe) des Wälzfräsers von einer Bezugslinie in Richtung auf die Achse der Antriebswelle und entspricht der folgenden Gleichung:

_w tan A

sin

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt eines Fluidmotors

mit keilverzahnter Antriebswelle,

Fig, 2 ■ in stark vergrößertem'Maßstab eine

schematische Darstellung der Keilzahnverbindung, die bei dem Fluidmotor nach Fig. 1 vorgesehen ist,

Fig. 3 eine schematische Darstellung, die

das Wälzfräsen einer Gruppe von balligen Außenkeilzähnen erkennen läßt,

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Fig. 4α einen Teilquerschnitt durch einen

balligen Keilzahn, der in bekannter Weise gefertigt ist,

Fig. 4b einen Teilquerschnitt durch einen

balligen Keilzahn, der in erfindungsgemäßer Weise ausgebildet ist,

Fig. 5 einen Teilschnitt durch einen balli

gen Keilzahn entlang einer zur Keilzahnflanke senkrechten Ebene in größerem Maßstab als in Fig. 2 jedoch kleinerem Maßstab als in Fig. 3, und

Fig. 6 einen Querschnitt eines Wälzfräser

zahnes, der verschiedene vorliegend eine Rolle spielende geometrische Eigenschaften erkennen läßt.

Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt eines Fluidmotors für den sich die im folgenden näher erläuterte Antriebswelle besonders eignet. Motoren dieser Art sind an sich bekannt (US-PS 3 572 983 und US-PS 3 862 814). Bei dem Hydraulikmotor nach Fig. 1 handelt es sich um einen Motor mit einem eine kreisende Bewegung ausführenden Bauteil. Fluidbetätigte Vorrichtung dieser Art lassen sich nicht nur als Motor

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sondern auch als Pumpe betreiben. Der im folgenden verwendete Begriff "Motor" soll infolgedessen Pumpen keineswegs ausschließen.

Der Hydraulikmotor 11 besteht aus mehreren Abschnitten die, beispielsweise mit Hilfe einer Reihe von (nicht dargestellten) Bolzen, zusammengehalten sind und zu denen ein Wellengehäuse 13, eine Verschleißplatte 15, ein parallel- und innenachsiger Rädersatz 17, eine Zwischenplatte 19 und ein Schiebergehäuse 21 gehören.

Der parallel- und innenachsige Rädersatz 17 ist in bekannter Weise ausgebildet und daher vorliegend nur kurz erläutert. Er umfaßt einen innenverzahnten Zahnring 23 mit einer Mehrzahl von Innenzähnen, die bei der vorliegenden Ausführungsform von mehreren zylindrischen Bauteilen 25 gebildet werden, die in bekannter Weise in halbzylindrischen Ausnehmungen des Zahnringes 23 sitzen. In dem Zahnring 23 sitzt exzentrisch mit Bezug auf den Zahnring ein außenverzahntes Zahnrad 27, dessen Zähnezahl typischerweise um eins kleiner als die Anzahl der zylindrischen Zähne 25 ist. Das außenverzahnte Zahnrad 27 kann mit Bezug auf den innenverzahnten Zahnring 23 eine kreisende und rotierende Bewegung ausführen, im Verlaufe deren eine Mehrzahl von sich vergrößernden und verkleinernden Kammern 29 gebildet wird.

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Entsprechend Fig. 1 weist der Motor 11 eine Antriebs-Abtriebswelle 31 auf, die innerhalb des Wellengehäuses 13 sitzt und dort mit Hilfe von Lagern 33 und 35 drehbar abgestützt ist. Die Welle 31 ist mit einer Gruppe von geraden Evolventeninnenkeilzähnen 37 versehen, mit denen eine Gruppe von balligen Evolventenaußenkeilzähnen 39 in Eingriff steht, die am einen Ende einer Hauptantriebswelle 41 ausgebildet sind. Am gegenüberliegenden Ende der Hauptantriebswelle 41 befindet sich eine weitere Gruppe von balligen Evolventenaußenkeilzähnen 43, die mit einer Gruppe von geraden Evolventeninnenkeilzähnen 45 in Eingriff stehen, die am Innenumfang des außenverzahnten Zahnrades 27 angeordnet sind. Weil bei der vorliegenden Ausführungsform der innenverzahnte Zahnring 23 sieben zylindrische Innenzähne 25 aufweist, führen sieben Kreisbewegungen des außenverzahnten Zahnrades 27 zu einer vollständigen Umdrehung des Zahnrads 27 und damit zu einer vollständigen Umdrehung der Hauptantriebswelle 41 und der Antriebs-Abtriebswelle 31.

Gleichfalls in Eingriff mit den Innenkeilzähnen 45 steht eine Gruppe von Keilzähnen 47, die am einen Ende einer Schieberantriebswelle 49 ausgebildet sind, die an ihrem gegenüberliegenden Ende eine weitere Gruppe von Außenkeilzähnen 51 trägt. Die Außenkeilzähne 51 stehen mit einer Gruppe von Innenkeilzähnen 53 in Eingriff, die am Innen-

809844/098$ ^._r^- &&&'^l**

• \ ' _ is -

umfang eines Schiebers 55 ausgebildet sind. Der Schieber 55 sitzt drehbar innerhalb des Schiebergehäuses 21. Die Schieberantriebswelle 49 steht über die Keilverzahnungen sowohl mit dem außenverzahnten Zahnrad 27 als auch mit dem Schieber 55 in Eingriff, um in bekannter Weise für einen zweckentsprechenden Schiebertakt zu sorgen.

Das Schiebergehäuse 21 ist mit einem Fluidanschluß 57 versehen, der mit einer den ringförmigen Schieber 55 umgebenden Ringkammer 59 in Verbindung steht. Fluid wird von der Ringkammer 59 über mehrere Schieberdurchlässe 61 zu dem Rädersatz 17 geleitet oder von diesem kommend aufgenommen. Der Schieber 55 bildet ferner eine Mehrzahl von Schieberdurchlässen 63. Gelangt unter hohem Druck stehendes Fluid vom Fluidanschluß 57 über die Schieberdurchlässe 61 zu den sich vergrößernden Kammern des Rädersatzes 17, wird von den sich verkleinernden Kammern kommendes, unter niedrigem Druck stehendes, abströmendes Fluid über die Schieberdurchlässe 63 einer Fluidkammer 65 zugeleitet, die mit einem zweiten (nicht gezeigten) Fluidanschluß in Verbindung steht. Die Arbeitsrichtung des Motors 11 kann in bekannter Weise umgekehrt werden, indem unter hohem Druck stehendes Fluid in den zweiten (nicht veranschaulichten) Fluidanschluß eingeleitet wird, der mit der Fluidkammer und den Schieberdurchlässen 63 in Verbindung steht. Unter niedrigem Druck stehendes, abströmendes Fluid gelangt dann

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ORIGINAL INSPECTED

von den sich verkleinernden Kammern über die Schieberdurchlässe 61 in die Ringkammer 59; es tritt über den Fluidanschluß 57 aus.

Fig. 2 zeigt eine etwas schematische Darstellung der Antriebsverbindung, die bei dem Fluidmotor 11 nach Fig. 1 verwendet wird, um Drehmoment von dem außenverzahnten Zahnrad 27 auf die Abtriebswelle 31 zu übertragen. Der Begriff "Antriebsverbindung" soll vorliegend die Hauptantriebswelle 41, beide Gruppen von balligen Evolventenaußenkeilzähnen 39 und 43 sowie die damit in Eingriff stehenden Gruppen von geraden Evolventeninnenkeilzähnen 37 und 45 umfassen. Die Gruppe der Innenkeilzähne 37 (und die Abtriebswelle 31) bilden eine Achse 71, während die Innenkeilzähne 45 (und das außenverzahnte Zahnrad 27) eine Achse 73 bilden. Die Achsen 71 und 73 verlaufen im wesentlichen parallel; sie haben jedoch in Querrichtung einen gegenseitigen Abstand, der die Exzentrizität E der Antriebsverbindung (und des Fluidmotors 11) darstellt. Die Gruppe der balligen Außenkeilzähne 43 bildet eine Mittelebene CP., die durch die "Spitze" jedes Keilzahns hindurchgeht. In ähnlicher Weise bilden die balligen Außenkeilzähne 39 eine durch die Spitze jedes Keilzahns dieser Gruppe hindurchgehende Mittelebene CP₉. Der Abstand zwischen den Mittelebenen CP₁ und CP wird als die axiale Länge L der Antriebsverbindung bezeichnet,

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deren Bedeutung im folgenden näher erläutert ist.

Wie gleichfalls aus Fig. 2 hervorgeht, weist die Hauptantriebswelle 41 einen Schaftteil (mit einem Schaftdurchmesser D₅) auf, der zwischen den beiden Gruppen von Außenkeilzähnen 39 und 43 sitzt. Die Antriebswelle 41 bildet eine Wellenachse 75, die zusammen mit der Achse 73 der Innenkeilzähne 45 einen Winkel A bildet, der als "Laufwinkel" bezeichnet wird. Die Wellenachse 75 bildet mit der Achse 71 der Innenkeilzähne 37 den gleichen Laufwinkel A, weil die Achsen 71 und 73 parallel zueinander verlaufen. Aus Fig. 2 und der vorstehenden Beschreibung folgt;

A «■ aresin E/L (1 )

Die Erfindung ist vorliegend in Verbindung mit einer Antriebswelle erläutert, die an beiden Enden eine Gruppe von balligen Außenkeilzähnen trägt. Sie ist jedoch auch bei einer Antriebswelle anwendbar, die am einen Ende mit einer Gruppe von balligen Keilzähnen ausgestattet ist, während am gegenüberliegenden Ende eine andere Form von Universalgelenk vorgesehen ist. In diesem Falle wird die Exzentrizität E der Antriebsverbindung in gleicher Weise bestimmt; die axiale Länge L wird von der Mittelebene der balligen Keilzahngruppe zum geometrischen Gelenkpunkt des Universalgelenks gemessen. Weil die Kombination aus geraden Innenkeilzähnen und balligen Außenkeilzähne eine bestimmte Art von Universalgelenk darstellt, soll der vorliegend verwendete Begriff "Universalgelenk" auch die Kombi-

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nation- von geraden Innenkeilzähnen und balligen Außenkeilzähnen einschließen.

Typischerweise wird eine Antriebswelle wie die Hauptantriebswelle 41, die an beiden Enden eine Gruppe von balligen evolventen Außenkeilzähnen trägt, aus einem stangenförmigen Rohling gefertigt. Der Rohling wird zunächst auf geeignete Länge geschnitten; sodann werden der Schaft mit dem Durchmesser D_ und die Enden maschinell bearbeitet. Im Anschluß daran erfolgt das Wälzfräsen der balligen Außenkeilzähne entweder durch Kopfwälzfräsen oder Semikopfwälzfrasen. Es versteht sich, daß insoweit auch ande-

re Verfahrensschritte angewendet werden können.

Entsprechend den Fig. 2 und 5 hat jeder der balligen Keilzähne 39 sowie der balligen Keilzähne 43 eine axiale Zahnlänge T. Nimmt man an, daß sämtliche balligen Außenkeilzähne 39 und 43 symmetrisch mit Bezug auf die Mittelebenen CP₂ bzw. CP. liegen, beträgt der Abstand von der Mittelebene zum Ende jedes Keilzahns T/2. Aus dem senkrecht zur Keilzahnflanke liegenden Schnitt der Fig. 5 ist zu erkennen, daß in jedem beliebigen axialen Abstand Y von der Mittelebene entlang der Längsabmessung des Keilzahns wenigstens ein minimales Spiel X zwischen dem Außenkeilzahn und dem benachbarten Innenkeilzahn vorhanden sein muß. Der Axialabstand Y und das Keilzahnspiel X sind miteinander und mit dem Laufwinkel A durch die folgende Gleichung ver-

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knüpft:

X-Y tan A (2)

Wie oben ausgeführt wurde, ist das Spiel X notwendig, um eine störende Beeinflussung zwischen jedem der balligen Außenkeilzähne und dem benachbarten Innenkeilzahn zu verhindern, wenn die Antriebsverbindung entsprechend Fig. 2 mit dem Laufwinkel A arbeitet. Wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht, ist, wenn das Spiel X entsprechend der obigen Gleichung (2) sehr genau eingehalten wird, eine Hälfte jeder Keilzahnflanke im wesentlichen parallel zu der Keilzahnflanke des benachbarten Innenkeilzahns ausgerichtet. In diesem Fall bildet die andere Hälfte der Flanke des Außenkeilzahns mit der Flanke des benachbarten Innenkeilzahns einen eingeschlossenen Winkel 2A (d.h. einen Winkel, der dem zweifachen des Laufwinkels A entspricht).

Fig. 4a zeigt einen Querschnitt durch einen in bekannter Weise hergestellten Keilzahn in einem Axialabstand Y von der Mittelebene. In ähnlicher Weise ist in Fig. 4b ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäß hergestellten Keilzahn im gleichen Axialabstand Y wie in Fig. 4a dargestellt. In beiden Fällen ist das gleiche Spiel X aufrechterhalten; wie im einzelnen jedoch unten erläutert ist, ist die Schnitttiefe Z (oder die radial einwärts gerichtete Bewegung des

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Wälzfräsers in Richtung auf die Achse der Welle 41) vermindert. Diese Abmessung Z ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Dabei ist der rotierende Wälzfräser H in zwei Stellungen veranschaulicht, und zwar unmittelbar bevor er die balligen Außenkeilzähne 43 zu schneiden beginnt, und dann wieder unmittelbar nachdem das Schneiden der Keilzähne 43 beendet ist. Aus Fig. 3 ist zu entnehmen, daß die Drehachse 77 des Wälzfräsers H eine Bahn beschreibt, die zusammen mit einer ersten Bezugslinie RL- einen Wölbungswinkel CA bildet. Der Wölbungswinkel CA ist in Fig. 3 als der eingeschlossene Winkel zwischen der Bezugslinie RL, und der Bahn dargestellt, welche die Drehachse 77 beschreibt. Er ergibt sich ferner als der eingeschlossene Winkel zwischen einer zweiten Bezugslinie RL₂ (die parallel zu der Bezugslinie RL verläuft) und der Keilzahnspitze. Es versteht sich, daß die zuletzt genannte Beziehung genau nur im Falle eines Keilzahns gilt, der im Kopfwälzfräsverfahren hergestellt ist. Bei einem nicht kopfwälzgefrasten Keilzahn wird der Wölbungswinkel stattdessen durch den eingeschlossenen Winkel zwischen der Wurzel des Keilzahns und einer anderen Bezugslinie bestimmt, die parallel zu der Bezugslinie RL_ verläuft. Der Wölbungswinkel CA kann auch durch den axialen Abstand Y von der Mittelebene CP₁ und die Schnittiefe Z (die radiale Einwärtsbewegung der Drehachse 77 mit Bezug auf die Bezugslinie RL.) entsprechend der folgenden Glei-

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chung ausgedrückt werden:

CA - arctan Ζ/Υ (3)

Entsprechend Fig. 4a war es bisher allgemein üblich, eine Gruppe von balligen Außenkeilzähnen, die einen primären Eingriffswinkel 0_ haben sollen, unter Verwendung eines Wälzfräsers zu fräsen, bei dem die Fräserzähne gleichfalls einen Eingriffswinkel 0_ haben. Das führt dazu, daß es zur Erzielung des erforderlichen Spiels X in jedem beliebigen Axialabstand Y notwendig ist, einen .Wölbungswinkel vorzusehen, der zu der geeigneten Schnitttiefe Zp. (bekannte Schnittiefe) entsprechend der folgenden Gleichung führt:

PA sin 0_S

Entsprechend Fig. 4b ist es ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, eine Qruppe von balligen Außenkeilzähnen mit einem primären Eingriffswinkel 0_ς unter Verwendung eines Wälzfräsers zu fräsen, bei dem die Schneidzähne einen Eingriffswinkel 0_U haben, wobei 0_U größer als

π . π

0_ ist. Das Ausmaß der Differenz zwischen 0_ und ώ, das für die vorliegenden Zwecke notwendig ist, ergibt sich aus der nachstehenden Erläuterung. Dies führt dazu, daß es zur Erzielung des notwendigen Spiels X in jedem beliebigen

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Axialabstand Y erforderlich wird, mit einem Wölbungswinkel CA zu arbeiten, der die geeignete Schnittiefe Z_TW. (erfindungsgemäße Schnittiefe) entsprechend der nachstehenden Gleichung zur Folge hat:

^ZINV

Bei einem Vergleich der Gleichungen (4) und (5) sowie der Fig. 4a und 4b zeigt sich, daß die Steigerung des Eingriffswinkels des Wälzfräsers von 0_ auf 0_U den Wert

ο Η

des Sinus vergrößert; für ein vorgegebenes Spiel X wird die Schnittiefe Z-.,.. kleiner als die bekannte Schnitt-

INV

tiefe Z_pA.

Betrachtet man die Fig. 3 in Verbindung mit der Fig. 4b, zeigt es sich, daß es bei Anwendung des vorliegend offenbarten steigenden und fallenden Wälzfräsverfahrens möglich wird, bei vorgegebenem Schaftdurchmesser D_c die Keilzahnlänge T zu vergrößern oder umgekehrt bei einer vorgegebenen Keilzahnlänge T den Schaftdurchmesser D_ größer zu machen.

Die erzielbaren Vorteile seien anhand des folgenden Beispiels näher erläutert.

BEISPIEL

Bei einer für eine kommerzielle Anwendung bestimmten Aus-

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fUhrungsform hatte die Hauptantriebswelle 41 die folgenden Abmessungen:

L	50	,80	mm
E	2	,54	mm
T	12	,70	mm

Der Einfachheit halber werden die erforderlichen Berechnungen mit Bezug auf eine Ebene durchgeführt, die ungefähr am Ende des Keilzahns liegt, wo gilt, Y « T/2 = 6,35 mm. Unter Verwendung der Gleichung (1) wird der Laufwinkel A wie folgt bestimmt:

A m aresin E/L (1)

^A - ^arcsin5§ti

A - 2,866°

Unter Anwendung der Gleichung (2) wird das erforderliche Spiel X wie folgt errechnet:

X - Y tan A (2) X - ' 6,35 mm tan 2.,866° X - 0,318 mm

Bei diesem Beispiel hatten die balligen Keilzähne einen primären Eingriffswinkel 0_ von 30- Grad. Daher ergibt sich

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die Schnittiefe an den Enden des Keilzahns entsprechend dem bekannten Vorgehen wie folgt:

(4)

²PA	^m sin 0
-7	0,318 mm
²PA	sin 30°
²PA	» 0, 635 mm

Unter Anwendung des vorliegend offenbarten Vorgehens wurde ein Wälzfräser mit einem Eingriffswinkel 0_U der Fräser-

zähne von 37 Grad gewählt. Daraus ergibt sich eine Schnitt tiefe Z_INV wie folgt:

(5)

INV	7	INV	"* sin 0J,	mm
²INV	0,318	O
sin 37	mm
0,528

Bei diesem Ausführungsbeispiel wäre es möglich gewesen, den Schaftdurchmesser Dg. um einen Betrag zu vergrößern, der dem zweifachen der Verkleinerung der Schnittiefe Z entspricht, d.h.

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Vergrößerung	von	^Ds ⁼	2	(²PA-	- O,	528)	(6)
Vergrößerung	von	^Ds -	2	(O,635	-		mm
Vergrößerung	von	O	, 21 3 mm

Stattdessen wäre es unter Verwendung des vorliegend erläuterten Vorgehens auch möglich gewesen, die Keilzahnlänge T zu vergrößern. Diese Vergrößerung kann bestimmt werden, indem von der Schnittiefe Z_pA * 0,635 mm ausgegangen und ein neuer Axialabstand ^γγ_Νν bis zum Ende des Keilzahns entsprechend der folgenden Gleichung errechnet wird, die eine Kombination der Gleichungen (2), (4) und (5) darstellt:

INV ^an

²PA - Z ⁽⁷⁾

sin A₁

^{sin 0}H . Z_ - Y₁

tan A	sin 37°	,05	(O,	XlNV	mm)
γ _	O	,6018		,635
INV	O	,05		mm)
Y 91	O		635
^YINV

^YINV ** ⁷'⁶⁴³ ^rcm oder

^TINV ⁼ 15,286 mm

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Die Vergrößerung der Keilzahnlänge (und damit die Drehmomentbelastbarkeit bei vorgegebener Keilzahnlebensdauer) betrug etwas mehr als 20 %.

Aufgrund der vorstehenden Erläuterungen, der Zeichnungen, der angegebenen Gleichungen und des Beispiels dürfte es für den Fachmann ohne weiteres möglich sein, das vorliegende Verfahren praktisch durchzuführen und auch für die Herstellung von Keilzähnen anzuwenden, die andere primäre Eingriffswinkel als 30 Grad haben. Beim Wälzfräsen eines Keilzahns mit einem primären Eingriffswinkel 0_ von 3Ό Grad haben die Zähne des Fräsers vorzugsweise einen Eingriffswinkel 0_U zwischen ungefähr 33 Grad und ungefähr 45 Grad, π

Aus den oben verwendeten Gleichungen ergibt sich, daß der Nutzen aus der Anwendung des erläuterten Verfahrens (beispielsweise Vergrößerung der Zahnlänge) durch einen Verhältnisfaktor F ausgedrückt werden kann, wobei:

sin 0

sin 0_S

Die Anwendung der Gleichung (8) auf das vorstehende Beispiel führt zu einer Vergrößerung der Keilzahnlänge (oder der Drehmomentbelastbarkeit) um einen Faktor von

—— - 1,20. Innerhalb eines bevorzugten Bereiches

sin 30

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von 0_μ nimmt daher für jeden gegebenen Wert von 0_ die Verbesserung der Drehmomentbelastbarkeit_mi·': steigendem 0_H zu.

Beim Experimentieren mit dem vorliegend erläuterten Wälzfräsverfahren und beim Vergleichen dieses Verfahrens mit dem bekannten Vorgehen wurde ein weiterer Vorteil beobachtet. Durch Vergrößerung des Eingriffswinkels des Wälzfrä-

sers und Verkleinerung der Schnittiefe wird der Betrag der Hinterschneidung, zu der es normalerweise benachbart dem Fußdurchmesser in Richtung auf die Enden der Keilzähne kommt, wesentlich herabgesetzt. Durch Minimierung der Hinterschneidung wird die Festigkeit der einzelnen Keilzähne vergrößert; damit nimmt auch die Drehmomentbelastbarkeit ■ jedes Keilzahns zu. Der Rundungsradius wird gleichfalls vergrößert, wodurch die Beanspruchungskonzentration abnimmt.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch einen Schneidzahn des vorliegend verwendeten Wälzfräsers. Dabei ist eine Teilkreislinie PL des Wälzfräsers dargestellt. Der Wälzfräser H wird mit Bezug auf die Achse 75 der Hauptantriebswelle 41 derart angeordnet, daß die Teilkreislinie PL des Fräsers und die Achse 75 einen bis zu der Teilkreislinie gehenden Durchmesser D_pL (als Teilkreisdurchmesser des Wälzfräsers bezeichnet) bilden. Bekanntlich wird die Teilkreislinie

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des Wälzfräsers als die eine Grundlage zur Berechnung der Wälzfräsergeometrie benutzt. Die Teilkreislinie des Wälzfräsers bleibt fest; der Wälzfräser bewegt sich« gegenüber des Teilkreislinie, beispielsweise wenn die Schneidzähne von der in ausgezogenen Linien dargestellten Stellung in die Stellung übergehen, die gestrichelt eingezeichnet ist (d.h., wenn sich der Schneidzahn radial einwärts in Richtung auf die Wellenachse 75 um einen Betrag bewegt, der gleich der Schnittiefe Z ist). In Fig. 6 ist ferner der Eingriffswinkel 0_U des Wälzfräserzahnes dargestellt.

Bei Anwendung des vorliegend beschriebenen Verfahrens wird die Evolventenform der Keilzähne nicht wesentlich geändert. Weil die erzeugte Evolventenform eine Funktion des Durchmessers des Grundkneises ist, der durch das vorliegende Verfahren nicht geändert wird, ist es möglich, eine Keilzahnform herzustellen, die identisch mit der auf bekannte Weise erhaltenen Zahnform ist, möglicherweise mit Ausnahme einer kleinen Abweichung von der echten Evolventenform am Fuß.

Während das vorliegende Verfahren anhand der theoretischen Bahn beschrieben wurde, die die Achse 77 des Wälzfräsers H beschreibt, versteht es sich, daß die Achse dieser Bahn nicht über die volle Länge des Keilzahns genau folgt. Beispielsweise weicht im Bereich der Mittelebene die von der

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Wälzfräserachse 77 beschriebene Bahn von der theoretischen Bahn ab, um die scharfe Spitze zu vermeiden, die in Fig."3 im Bereich der Mittelebene CP₁ gezeigt ist. Die Wälzfräserachse folgt in der Nähe der Mittelebene vielmehr einer Bahn, die bewirkt, daß der Außenkeilzahn nicht spitz zuläuft, sondern etwas abgerundet ist. Dadurch wird ein ruhigerer Betrieb gewährleistet. Die Art dieser Abweichung von der theoretischen Bahn der Wälzfräserachse versteht sich für den Fachmann ohne weiteres.

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Claims

PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWAN

ELFENSTRASSE32 · D-8000 MÜNCHEN »3

75-CLP-246

Ansprüche

[1 Λ, Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle mit einer ersten und einer zweiten Gruppe von axial verlaufenden, balligen Außenkeilzähnen zum Übertragen von Drehmoment zwischen einer ersten und einer zweiten Gruppe von geraden Innenkeilzähnen, wobei die Gruppen der geraden Innenkeilzähne eine Exzentrizität E haben, die beiden Gruppen der balligen Außenkeilzähne eine im wesentlichen senkrecht zu der Achse der Welle ausgerichtete Mittelebene aufweisen, die Welle eine axiale Länge L zwischen der ersten und der zweiten Mittelebene hat und einen Laufwinkel A = aresin E/L bildet, jeder der Außenkeilzähne einen primären Eingriffswinkel 0_ hat und ausreichend ballig gemacht ist, um für ein Spiel X zwischen dem Außenkeilzahn und dem benachbarten Innenkeilzahn bei jedem vorgegebenen axialen Abstand Y entlang dem Außenkeilzahn von der Mittelebene zu sorgen, und das Spiel X und der Abstand Y durch die Gleichung X=Y tan A miteinander verknüpft sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wälzfräser mit Schneidzähnen mit einem Eingriffswinkel 0_U verwendet wird, wobei 0_U größer als 0_ ist, π HS

daß der Wälzfräser zum Wälzfräsen der Keilzähne gedreht

FERNSPRECHER: 0IS>/*01203» · KABEL: ELECTWCPATENT MÜNCHEN

wird, daß gleichzeitig mit dem vorgenannten Verfahrensschritt der Wälzfräser in Längsrichtung der Außenkeilzähne vorgeschoben wird, und daß dabei die Achse des Wälzfräsers einer von einer variablen Größe Z bestimmten Bahn folgt, wobei Z die radial einwärts gerichtete Bewegung der Wälzfräserachse von einer Bezugslinie in Richtung auf die Achse der Welle ist und der folgenden Gleichung entspricht:

Y tan A ^Sin ^H
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriffswinkel 0,, des Wälzfräsers zwischen unge-

fähr 3 Grad und ungefähr 15 Grad größer als der primäre Keilzahneingriffswinkel 0_ ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Wälzfräsereingriffswinkel 0,, von ungefähr

H 37 Grad und einem primären Keilzahneingriffswinkel 0_

von ungefähr 30 Grad gearbeitet wird.
4. Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle mit einer um einen Faktor F erhöhten Drehmomentbelastbarkeit, die eine Gruppe von balligen Außenkeilzähnen und eine axial angeordnete Universalgelenkverbindung zum Übertragen

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von Drehmoment zwischen einer Gruppe von geraden Innenkeilzähnen und einer zur Aufnahme der Universalgelenkverbindung geeigneten Einrichtung aufweist, wobei die· Gruppe der geraden Keilzähne und die Aufnahmeeinrichtung eine Exzentrizität E haben, die Gruppe der balligen Keilzähne eine im wesentlichen senkrecht zu der · Achse der Welle ausgerichtete Mittelebene hat, die Welle eine axiale Länge L zwischen der Mittelebene und dem Gelenkpunkt der Universalgelenkverbindung hat sowie einen Laufwinkel A » aresin E/L bildet, und jeder der Außenkeilzähne eine Keilzahnlänge T und einen primären Eingriffswinkel 0_S sowie einen ausreichenden Wölbungswinkel hat, um für ein Spiel X zwischen dem Außenkeilzahn und dem benachbarten Innenkeilzahn in jedem vorgegebenen axialen Abstand Y von der Mittelebene zu sorgen, wobei das Spiel X und der Abstand Y durch die Gleichung X=Y tan A verknüpft sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wälzfräser mit Schneidzähnen verwendet wird, die einen Eingriffswinkel 0_U bilden, der

größer als 0_g ist, daß der Wälzfräser zum Wälzfräsen der Keilzähne gedreht wird und daß gleichzeitig mit dem vorgenannten Verfahrensschritt der Wälzfräser entlang dem zur Ausbildung der balligen Außenkeilzähne bestimmten Teil der Welle derart vorgeschoben wird, daß die Achse des Wälzfräsers einer Bahn folgt, die für Y gleich oder größer als O und gleich oder kleiner als T/2 durch

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die Gleichung

_z _m Y tan A

bestimmt wird, wobei Z die radial einwärts gerichtete Verlagerung der Wälzfräserachse von einer Bezugslinie ist, auf der Z « O, wenn Y=O, und wobei der Drehmomentsteigerungsfaktor F gleich sin 0_u/sin 0_ ist.

rl O
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

der Eingriffswinkel φ des Wälzfräsers zwischen unge-

fähr 3 Grad und ungefähr 15 Grad größer als der primäre Keilzahneingriffswinkel 0_C ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzfräsereingriffswinkel 0_U mit Bezug auf den primären Keilzahneingriffswinkel derart gewählt wird, daß der Drehmomentsteigerungsfaktor F mindestens ungefähr 1,20 beträgt.

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