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Vorrichtung zum Schleifen bogenverzahnter Kegelräder
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schleifen bogenverzahnter
Kegelräder im Teilform- oder Teilwälzverfahren, mit einer um eine Schleifachse rotierend
antreibbaren Topfschleifscheibe, wobei der Schleifachse eine zyklische Zusatzbewegung
auf einer geschlossenen Bewegungsbahn erteilt wird.
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Beim Schleifen von Kegelzahnrädern mit kreisbogenförmig verlaufenden
Zähnen wird allgemein mit Topfschleifscheiben gearbeitet, deren Schleifflanken durch
eine Innen- und eine Außenkegelfläche gebildet sind. Beim Teilwälzschleifen werden
Werkstück und rotierende Topfschleifscheibe miteinander abgewälzt, wobei nach bekannten
Gesetzmäßigkeiten die Zahnflanken generiert werden. Während mindestens zum Schleifen
des Ritzels einer Paarung bogenverzahnter Kegelräder regel mäßig im Wälzverfahren
gearbeitet wird, kann das zugehörige Tellerrad häufig auch einfacher durch Formschleifen
bearbeitet werden, wobei die Topfschleifscheibe im allgemeinen gleichfalls durch
Geraden erzeugte Kegelflächen-Schleifflanken aufwei -sen kann. In jedem Fall wird
nach Bearbeitung
eines Zahns bzw. einer Zahnlücke das Werkstück
weitergeteilt und in entsprechender Weise der nächste Zahn bzw. die nächste Zahnlücke
bearbeitet. Die Schleifflanken der Topfschleifscheibe bilden bei allgemein üblicher
Arbeitsweise einen von der Stirnfläche vorstehenden Kegelaußenring und erlauben
damit die gleichzeitige Bearbeitung der beiden eine Zahnlücke begrenzenden Zahnflanken.
Ferner ist es bekannt (vgl. DE-OS 2721 164) Topfschleifscheiben für das Schleifen
von bogenverzahnten Kegelrädern im Teilform- oder Teilwälzverfahren so ausbzubilden,
daß die Schleifflanken einen in die Stirnfläche der Topfschleifscheibe eingesenkten
Kegelinnenring bilden und die gleichzeitige Bearbeitung beid der Zahnflanken eines
Zahns erlauben. Wir/insbesondere das eine Rad einer Zahnradpaarung mit einer Topfschleifscheibe
mit Kegel außenri ng und das zugehörige Gegenrad mit einer Topfschleifscheibe mit
Kegel innenring geschliffen, so besteht die Möglichkeit, beide Räder der Zahnradpaarung
in jeweils einem einzigen Durchgang und ohne aufwendige Meß- und Einstellvorgänge
zu schleifen.
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Bei Vorrichtungen der eingangs beschriebenen Gattung ist es bekannt
(vgl. DE-OS 27 21 164, US-PS 31 27 709), der Schleifachse eine zyklische Zusatzbewegung
auf einer geschlossenen Bewegungsbahn zu erteilen. Die Zusatzbewegung erfolgt üblicherweise
und auch im Rahmen der Erfindung mit gegenüber der normalen Wälzbewegung wesentlich
kleinerem Hub und wesentlich größerer Frequenz und hat zur Folge, daß die resultierenden
Zahnflanken sich darstellen als Hüllschnitt einer Mehrzahl von Umläufen der zyklischen
Zusatzbewegung. Mit dieser Zusatzbewegung wird bei den bekannten Vorrichtungen zunächst
eine Verringerung des Schleifbrandes erreicht und damit die Möglichkeit geschaffen,
mit höheren Abtragsleistungen zu arbeiten. Außerdem ist darauf hingewiesen worden
(vgl. DE-OS 27 21 164), daß durch die Zusatzbewegung eine gewisse Balligkeit der
Zahnflanken erreicht werden kann, die im Hinblick
auf Einbautolerenzen
und Belastungsverhalten im Betrieb vorteilhaft ist. Die Bewegungsbahn der zyklischen
Zusatzbewegung ist bei dieser bekannten Vorrichtung kreisförmig oder aus Kreisbogenabschnitten
und Geradenabschnitten zusammengesetzt.
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Mit dieser bekannten Vorrichtung läßt sich zwar eine Balligkeit erreichen,
durch die bei praktisch realisierbaren E inbautoleranzen und unter Betriebsbedingungen
ein Kantentragen der Zahnräder zuverlässig vermieden werden kann. Es bestehen jedoch
noch gewisse Nachteile. Einerseits ist eine Veränderung der durch die Zusatzbewegung
verursachten Krümmung im allgemeinen nur mit einer spürbaren Beeinflussung der Zahndicke
der geschliffenen Verzahnung möglich. Andererseits erscheinen Verbesserungen hinsichtlich
des Belastungs- und Geräuschverhaltens erstrebenswert. Bei mit der bekannten Vorrichtung
geschliffenen Zahnrädern ist im lastfreien Zustand die Ausdehnung des Tragbildes
nur gering, so daß infolge geringer Sprungüberdeckung noch verhältnismäßig starke
Laufgeräusche auftreten, die sich insbesondere im lastfreien Zustand -bei Kraftfahrzeugen
beispielsweise im Leerlauf- besonders unangenehm auswirken.
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Dagegen kommt es unter Belastung zu einer starken Zunahme der Pressung
der Zahnflanken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Gattung so weiterzubilden, daß die Balligkeit der Zahnflanken verbessert
und in weiten Grenzen variiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zusatzbewegung
auf einer elliptischen Bewegungsbahn erfolgt. Vorzugsweise wird die Lage der Bewegungsbahn
so gewählt, daß die große Hauptachse der Ellipse im wesentlichen parallel zur Zahnlängsrichtung
eines zu schleifenden Zahns liegt. Es empfiehlt sich, die Achslage der Bewegungsbahn
gegenüber
dem zu schleifenden Zahn einstellbar einzurichten. Vorzugsweise wird ferner die
Anordnung so getroffen, daß die Längen der Hauptachsen der Bewegungsbahn einstellbar
sind.
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Die Erfindung geht damit von der Erkenntnis aus, daß die Form der
Zusatzbewegung sich in der Form der geschliffenen Zahnfläche wieder spiegelt. Mit
anderen Worten wird mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein in Zahnlängsrichtung
im wesentlichen elli ptischer Verlauf der Zahnflanke erreicht. Damit werden verschiedene
wesentliche Vorteile erreicht.
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Bei entsprechender Auslegung der elli ptischen Zusatzbewegung kann
die aus der Zusatzbewegung und der Schleifscheibenkrümmung bei konstantem Schleifscheibenradius
resultierende Krümmung der Zahnflächen in einem weiten Bereich, der im wesentlichen
von null bis ao reicht, verändert werden, ohne daß eine wesentliche Beeinflussung
der Zahndicke eintritt.
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Mit anderen Worten kann bei einer Veränderung der Zusatzbewegung die
Zahndicke erhalten werden, wenn bei nur geringfügiger Änderung des Schleifscheibenradius
der Hauptkrümmungsradius der Elli pse entsprechend stark verändert wird. Wird, wie
erläutert, die Bewegungsbahn so gelegt, daß die große Hauptachse der Elli pse in
Zahnlängsrichtung verläuft, so ist die resultierende Krümmung in der Zahnmitte am
kleinsten, wird jedoch zu den Zahnenden hin immer stärker. Das führt zu einem ausgedehnten
Tragbild schon im lastfreien Zustand. Aufgrund des elli ptischen Verlaufs wird der
Zahn jedoch an den Zahnenden stärker zurückgenommen, so daß das Tragbild auch unter
Belastung nicht bis zu den Zahnenden wandern kann und ein Kantentragen zuverlässig
vermieden wird. Dieses Verhalten ist zunächst günstig für das Geräuschverhalten,
vor allem auch im Zustand ohne bzw. bei geringer Last, indem im allgemeinen das
Zahnradgeräusch besonders unangenehm wirkt. Zugleich ist diese elli ptische Balligkeit
günstig für das Belastungs- und Obertragungsverhalten unter Last, da die Hertz'sche
Pressung der Zahnflanke unter steigender Belastung weniger
zunimmt
als bei kreisbogenförmiger Balligkeit. Das Tragbild wird bei Einbaufehlern allenfalls
kleiner als im idealen Einbauzustand, wandert aber nicht so schnell zur Zahnkante
hin wie bei anderen Formen der Balligkeit. Für eine Ellipse mit der großen Hauptachse
a und der kleinen Hauptachse b ergibt sich bekanntlich der Hauptkrümmungsradius
im Bereich der kleinen Hauptachse: y = a / b. Durch entsprechende Wahl der Hauptachse
a und b können unterschiedliche Ellipsen mit dem Ergebnis eingestellt werden, daß
die sich berührenden konkaven und konvexen Flanken sich nicht nur anschmiegen, sondern
im Berührungspunkt sogar gleiche Krümmungsradien aufweisen und nur zu den Zahnenden
hin voneinander abheben.
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Der Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erweist sich als besonders
vorteilhaft, wenn -wie eingangs erläutert- ein Rad einer Zahnradpaarung mit einer
Topfschleifscheibe mit Außenkegelring und das Gegenrad mit einer Topfschleifscheibe
mit Innenkegelring geschliffen wird. Dabei können mit im wesentlichen komplementären
Werkzeugen (von denen mit anderen Worten eines das Negativ des anderen darstellt)
rechte und linke Flanke sowohl von Rad als auch von Gegenrad jeweils gleichzeitig
geschliffen werden, wobei je nach Bedarf wesentlich verschiedene Balligkeiten erzeugt
werden können.
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Vorteilhaft ist ferner, daß die Bahngeschwindigkeit der Zusatzbewegung
im schwach gekrümmten Bahnbereich der kleinen Hauptachse und damit die Vorschubgeschwindigkeit
der Schleifscheibe am Werkstück verhältnismäßig groß ist. Dagegen ist die Bahngeschwindigkeit
im Bereich der grossen Hauptachse gering, so daß bei der Zusatzbewegung nur geringe
Massenkräfte auftreten.
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Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Topfschleifscheibe
in üblicher Weise an eine durch einen Antriebsmotor drehangetriebene Schleifspindel
angeschlossen.
Dabei ist anzustreben, daß der Antriebsmotor nicht gleichfalls die Zusatzbewegung
ausführen muß, sondern feststehend angeordnet werden kann. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß die Schleifspindel in einer dem Antriebsmotor zugewandten
Stirnfläche einen Mitnehmerschlitz aufweist und der Antriebsmotor vorrichtungsfest
angeordnet ist und mit einem umlaufenden Mitnehmerstift in den Mitnehmerschlitz
eingreift. Selbstverständlich kann die Zuordnung von Mitnehmerschlitz und -stift
zu Schleifspindel bzw. Antriebsmotor auch vertauscht werden.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Getriebe, mit dem die elli
ptische Zusatzbewegung erzeugt werden kann und für das selbstständiger Schutz beansprucht
wird. Das erfindungsgemäße Elli psengetriebe ist dadurch gekennzeichnet, daß ein
Lenker von vorbestimmter Lenkerlänge an einem Ende um eine vorrichtungsfeste Lenkerachse
(die der Schleifachse bei fehlender Z usatzbewegung entspricht) schwenkbar und drehantreibbar
gelagert, am anderen Ende des Lenkers ein Schwenkarm von vorbestimmter Schwenklänge
um eine Schwenkachse (die folglich gegenüber dem Maschinengestell umläuft) schwenkbar
und drehantreibbar gelagert und die Schleifachse durch das freie Ende des Schwenkarms
geführt ist. Die Winkelgeschwindigkeit des Schwenkarms gegenüber dem Lenker ist
dabei entgegengesetzt und doppelt so groß wie die Winkelgeschwindigkeit des Lenkers
gegenüber der Vorrichtung. Mit anderen Worten sind die Winkelgeschwindigkeiten von
Lenker und Schwenkarm mit Bezug auf ein maschinenfestes Koordinatensystem entgegengesetzt
gleich. Form und Größe der elli ptischen Bewegungsbahn der Schleifachse sind durch
die Längen von Lenker und Schwenkarm bestimmt. Vorzugsweise wird mindestens die
Schwenklänge einstellbar gemacht. Ist die Schwenklänge kleiner als die Lenkerlänge,
so läuft die Schleifachse gleichsinnig mit der Schwenkachse um. Ist der Schwenkarm
länger als der Lenker, so läuft die Schleifachse in entgegengesetzter Richtung zur
Schwenkachse um.
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Damit ist es möglich, lediglich durch Längenveränderung des Schwenkarms
die Vorschubrichtung des Schleifscheibeneingriffs am Werkstück umzukehren und damit
in einfacher Weise von Gleich- auf Gegenlaufschleifen überzugehen.
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Der Antrieb des Schwenkarms erfolgt bei einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform durch ein am Lenker drehbar gelagertes Ritzel, das einerseits mit
einem vorrichtungsfesten Standzahnkranz und andererseits mit einem mit dem Schwenkarm
starr verbundenen Schwenkzahnkranz kämmt, wobei Stand- und Schwenkzahnkranz übereinstimmend
Außen-oder Innenverzahnung aufweisen und das Gesamtübersetzungsverhäl tn is vom
Stand- zum Schwenkzahnkranz 2 : 1 beträgt. Die übereinstimmende Ausbildung von Stand-
und Schwenkzahnkranz mit Außen- oder Innenverzahnung führt zu der erläuterten gegenläufigen
Drehung von Lenker und Schwenkarm. Das angegebene Übersetzungsverhältnis wird dadurch
erreicht, daß das Ritzel als Doppelritzel ausgebildet ist, wobei die drehfest verbundenen
Einzelritzel sowie Stand- und Schwenkzahnkranz entsprechend unterschiedliche Zahnzahlen
aufweisen. Die Lage der Hauptachsen der Bewegungsbahn läßt sich dadurch verdrehen,
daß das Standzahnrad gegenüber der Vorrichtung verdreh- und festklemmbar ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erläuterten Elli psengetriebes
ergibt sich dadurch, daß der Lenker durch eine Außenhülse gebildet ist, die an ihrem
Außenumfang drehbar im Maschinengestell gelagert ist, daß der Schwenkarm durch eine
Innenhülse gebildet ist, die an ihrem Außenumfang im Inneren der Außenhülse drehbar
und gegenüber der Drehachse der Außenhülse exzentrisch gelagert ist und daß die
Topfschleifscheibe mit gegenüber der Drehachse der Innenhülse exzentrischer Schleifachse
in der Innenhülse gelagert ist. Die Drehachse der Außenhülse entspricht dabei der
Lenkerachse, und die demgegenüber exzentrische
Drehachse der Innenhülse
entspricht der Schwenkachse. Die Längen von Lenker und Schwenkarm sind entsprechend
durch die Exzentrizitäten von Außen- und Innenhülse gegeben. Mit der Innenhülse
ist drehfest der Schwenkzahnkranz verbunden, und das Ritzel ist drehbar an der Außenhülse
gelagert. Diese Ausführungsform erlaubt es, mit technisch realisierbaren und den
Betriebsbelastungen entsprechenden Abmessungen, die naturgemäß verhältnismäßig groß
sein müssen, die erforderlichen kleinen Exzentrizitäten in einfacher und zuverlässiger
Weise einzustellen. Eine Veränderung der Länge des Schwenkarms wird dadurch ermöglicht,
daß die Innenhülse aus zwei einander umschließenden Exzenterhülsen besteht, die
an zum Außenumfang der äußeren Exzenterhülse und zur Schleifachse exzentrischen
Umfangsflächen aneinander geführt und gegeneinander verdreh- und klemmbar sind.
In entspechender Weise kann auch die Länge des Lenkers verändert werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 In schematischer Darstellung
die Verhältnisse beim Teilwälzschleifen eines bogenverzahnten Kegelrades, Figur
2 in einer Prinzidarstellung ein Getriebe zur Erzeugung einer elli ptischen Zusatzbewegung,
Figur 3 ein Getriebe zur Erzeugung einer elli ptischen Zusatzbewegung im Längsschnitt,
Figur 4 den Gegenstand der Figur 3 im Querschnitt.
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Die Figur 1 stellt eine Aufsicht auf das zu einem Kegelradpaar, von
dem ein Rad geschliffen werden soll, gehörige ideelle Planrad 1 dar. Es handelt
sich
um eine Kreisbogenverzahnung, so daß die eine zu schleifende Zahnlücke 2 begrenzenden
Flankenlinien 3, 4 durch Kreisbögen dargestellt sind.
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Die Topfschleifscheibe, mit der das Schleifen erfolgt, ist nicht dargestellt,
angedeutet ist jedoch der mittlere Radius R der Topfschleifscheibe. Die Schleifachse
5 der Topfschleifscheibe ist beim Schleifvorgang nicht maschinenfest, sondern erfährt
eine zyklische Zusatzbewegung, deren Bewegungsbahn 6 die Gestalt einer Ellipse hat
und in einer zur Schleifachse 5 senkrechten Ebene, in der Figur also in der Zeichenebene
liegt. Die elliptische Bewegungsbahn 6 mit der großen Hauptachse a und der kleinen
Hauptachse b ist zur Verdeutlichung in ihrer Größe stark übertrieben. Man erkennt,
daß die große Hauptachse a im wesentlichen parallel zur Längsrichtung der Zahnlücken
2 liegt.
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Die Figur 2 zeigt in einer Prinzipdarstellung die ki nematischen Verhältnisse
bei einem Getriebe, mit dem die elliptische Bewegungsbahn 6 exakt dargestellt werden
kann. Um eine maschinenfeste Lenkerachse M ist ein Lenker der Länge k drehbar. Am
freien Ende des Lenkers k ist um eine Schwenkachse 0 drehbar ein Schwenkarm der
Schwenklänge e drehbar angelenkt.
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Bei Drehung des Lenkers k um die Lenkerachse M mit einer Winkelgeschwindigkeit
Q beschreibt die Schwenkachse 0 eine Kreisbahn. Durch geeignete, hier nicht zu erläuternde
Mittel ist dafür gesorgt, daß der Schwenkarm e sich um die Schwenkachse 0 dreht,
und zwar mit einer Winkelgeschwindigkeit £ , die gegenüber der Winkelgeschwindigkeit
(» des Lenkers k entgegengesetzt und doppelt so groß ist. Die Analyse ergibt, daß
jeder Punkt des Schwenkarms e, insbesondere also die an dessen freiem Ende angedeutete
Schleifachse N eine Ellipse beschreibt. Die Hauptachsen aller dieser Ellipsen schneiden
sich in der Lenkerachse M. Im Falle e = 0 entartet die Ellipse zu einem Kreis mit
dem Radius k. Im Falle e = k entsteht eine Gerade der Länge 2k von der Lenkerachse
M aus. Schwenkachse 0 und Schleifachse N laufen im Falle e 7 k gleichsinnig und
im Fallee > k gegensinnig um.
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Die Figuren 3 und 4 stellen ein konkretes Ausführungsbeispiel des
anhand der Figur 2 erläuterten Elli psengetriebes dar. Im Maschinengestell 11 ist
eine Außenhülse 12 an ihrem Außenumfang mittels Kugellagern 13 um eine Achse M-M
drehbar gelagert. Die Achse M-M stellt im Sinne der vorstehenden Erläuterungen die
Lenkerachse dar. Gegenüber der Lenkerachse M-M exzentrisch ist eine Innenhülse 14
an ihrem Außenumfang mittels Kugellagern 15 im Inneren der Außenhülse 12 um eine
Achse 0-0 drehbar gelagert.
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Die Achse 0-0 entspricht der vorstehend erläuterten Schwenkachse.
Die Exzentrizität der Außenhülse 12 entspricht der Länge k des erläuterten Lenkers
und ist in der Figur 3 angedeutet.
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Die Innenhülse 14 besteht aus einer inneren Exzenterhülse 16 und einer
die innere umschließenden äußeren Exzenterhülse 17. Die beiden Exzenterhülsen 16,
17 sind ineinandergesetzt und an zum Außenumfang der äußeren Exzenterhülse 17 und
damit zur Schwenkachse 0-0 exzentrischen Zylinderflächen 18 aneinander geführt und
gegeneinander verdrehbar. Im Inneren dieses die Innenhülse 14 bildenden Doppelexzenters
ist die Schleifspindel 19 drehbar derart gelagert, daß die Schleifachse N-N koaxial
zum Innenumfang der inneren Exzenterhülse 16 und exzentrisch zu den Zylinderflächen
18 liegt. Die durch gegenseitige Verdrehung der Exzenterhülsen 16, 17 einstellbare
Exzentrizität der Innenhülse 14 entspricht der Länge e des Schwenkarms und ist in
der Figur 3 angedeutet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Exzentrizitäten
von Außenhülse 12, innerer Exzenterhülse 16 und äußerer Exzenterhülse 17 gleich.
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An einem Ring 20 ist koaxial zur Lenkerachse M-M ein Standzahnkranz
21 befestigt. Der Ring 20 und damit der Standzahnkranz 21 ist im Maschinengestell
1 verdrehbar und mittels einer Klemmschraube 22 in beliebiger Stellung festklemmbar.
An der Außenhülse 12 sind zwei miteinander drehfest verbundene Ritzel 23, 24 drehbar
gelagert. Mit der Innenhülse 14 ist drehfest und koaxial zur Schwenkachse 0-0 ein
Schwenkzahnkranz 25 befestigt.
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Die Anordnung ist so getroffen, daß der Standzahnkranz 21 mit dem
Ritzel 23 und der Schwenkzahnkranz 25 mit dem Ritzel 24 kämmen.
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Die Zähnezahlen sind so bemessen, daß vom Standzahnkranz 21 bis zum
Schwenkzahnkranz 25 ein Übersetzungsverhältnis 2 : 1 resultiert.
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Die Außenhülse 12 wird mittels eines Riemens 26 mit einer WinkelgeschwindigkeitQ
drehangetrieben. Durch die erläuterten Zahnkränze und Ritzel wird dabei die Innenhülse
14 mit gegenüber der Außenhülse 12 entgegengesetzter und doppelter Winkelgeschwindigkeit
£ in Drehung versetzt. Die Schleifspindel 19 erfährt infolgedessen eine elli ptische
Zusatzbewegung und ist gleichzeitig aufgrund ihrer Lagerung mittels Kugellagern
im Inneren der Innenhülse 14 frei drehbar.
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Der Drehantrieb der Schleifspindel 19 erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel
nicht unmittelbar von dem (nicht dargestellten) Antriebsmotor, sondern über ein
besonderes Antriebsglied in Form eines Zapfens 26, der mittels Kugellagern 27 in
dem Ring 20 drehbar gelagert ist. An seiner Stirnseite weist der Zapfen 26 einen
Mitnehmerschlitz 28 auf. Ein Mitnehmerstift 29 ist in einen mit der Schleifspindel
19 drehfest verbundenen Flansch 30 eingesetzt und greift in den Mitnehmerschlitz
28 formschlüssig ein. Damit kann die Drehbewegung unabhängig von der eingestellten
Exzentrizität vom Zapfen 26 auf die Schleifspindel 19 geleitet werden. Der Zapfen
26 seinerseits wird in üblicher Weise, beispielsweise mittels eines Riemens 31 vom
Antriebsmotor angetrieben.
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Mit dem vorstehend beschriebenen Elli psengetriebe können beliebige
Krümmungsradien zwischen Null und w eingestellt werden. Krümmungsradien von 0 bis
k entstehen im Nebenscheitel und von k bis CC im Hauptscheitel der Elli pse. Durch
Verdrehen des Standzahnkranzes 21 mittels des Rings 20 gegenüber dem Maschinengestell
1 kann die Lage der Hauptachsen der Elli pse verdreht und insbesondere so eingestellt
werden, daß
- je nach dem verlangten Krümmungsradius- eine der
beiden Hauptachsen in Längsrichtung eines zu schleifenden Zahns liegt. Dadurch können
in einfacher Weise und mit geringem Aufwand Veränderungen der Tragbildlage an einem
geschliffenen Kegelzahnrad ausgeführt werden.