DE3635916C1 - Verzahnung fuer eine Wellen-Nabenverbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verzahnung zur Übertragung eines Drehmomentes zwischen zwei koaxial ineinanderliegenden Bau­ teilen, z.B. einem Wellenteil und einem Nabenteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Verzahnungen dieser Art sind seit langem bekannt und in den DIN 5461 bis 5465 sowie 5480 festge­ halten.

Diese Verzahnungen werden üblicherweise durch Abwälzfräsen, durch Stoßen oder Räumen hergestellt. Durch diese spanabhebende Herstellung lassen sich vor allem massive Bauteile sehr präzise herstellen. Häufig wird eine solche Verzahnung auch für Kon­ struktionen gewählt, bei denen zwar das Wellenteil massiv, das nabenseitige Teil aber aus mehreren dünnen Blechscheiben be­ steht, beispielsweise in Lamellenkupplungen, deren Lamellen im Betrieb axial auf der Welle verschiebbar sein müssen. Kupplun­ gen dieser Art sind außer in Getrieben auch häufig im Antriebs­ strang von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor angeordnet. An diese Kupplungen werden aufgrund des typischen Drehschwingungs­ verhaltens des Motors besondere Anforderungen an Genauigkeit und Geräuschfreiheit gestellt.

Die aus der DIN 5461 bekannte Verzahnung weist gerade Flanken auf, und zwar sowohl an der Welle als auch der Nabe, wobei die Zahnflanken zueinander parallel sind. Bei Verzahnungen von zwei Teilen, die nicht fest aufeinander ruhen sollen, wie z.B. ein Flansch auf einer Getriebewelle, sondern axial beweglich blei­ ben sollen, ist Spiel in der Verzahnung erforderlich. Dadurch aber kommen nach Überwindung des Spiels die beiden Flanken, die nur im Idealfall parallel sind, unter spielbedingtem Verdreh­ winkel aufeinander. Da außerdem die beiden Teile stets mit gleichen Eingriffswinkeln versehen sind, findet die Berührung nur an den Kanten statt oder auf größerer Fläche bei entspre­ chender Verformung oder eingetretenem Verschleiß, insbesondere dann, wenn die Verzahnung mit Innen- oder Außenzentrierung ge­ fertigt ist.

Aus der DIN 5480 ist eine Verzahnung mit Evolventenprofil be­ kannt mit einem trapezförmigen Bezugsprofil, welches bei Her­ stellung im Abwälzverfahren auf dem Wellenteil eine evolvente Zahnflanke erzeugt. Beim Nabenteil, das im Falle der Lamellen­ kupplung wieder aus dünnen Scheiben besteht, muß das Stanzwerk­ zeug ein genau zum Wellenzahn passendes Profil aufweisen. Auch bei dieser Verzahnung, die ebenfalls für Außen-, Innen- oder Flankenzentrierung herstellbar ist, kommt es, bedingt durch das erforderliche und herstellungsbedingte Spiel, bei Übertragung von Drehmoment zum einseitigen Tragen an Kanten, weil sowohl das Wellen- als auch das Nabenprofil dieselbe Kontur nach Norm aufweisen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß diese Verzahnun­ gen, im Gegensatz zu einer Laufverzahnung von Zahnrädern, mehr und kleinere Zähne aufweisen und gänzlich andere Zahnform er­ halten, insbesondere die Innenverzahnung des Nabenteils. Der Zahn hat kleine Ausrundungsradien an Fuß und Kopf. Dies erfor­ dert ein teueres und empfindliches Stanzwerkzeug, und trotzdem lassen sich die Nabenteile nur mit großen Toleranzen und nach­ teiliger Verformung im Bereich der Schnittkanten (Stanzeinzug) herstellen. Größere Genauigkeit beider Teile erfordert teuere spanabhebende Nacharbeit. Zu großes Spiel in der Kupplung ist die Ursache von unangenehmen Klappergeräuschen und vorzeitigem Verschleiß.

Bekannt ist eine Verzahnung zur Übertragung eines Drehmomentes ferner aus der FR-PS 15 60 270. Die Zahnflanken weisen jedoch keine ebene Fläche auf, sondern bestehen aus Bögen, wobei der Fußkreis unmittelbar in den Kopfkreis übergeht. Zwischen dem Naben- und dem Wellenteil kann nur Linienberührung stattfinden.

Aus der DE-AS 26 36 382 ist eine Verzahnung bekannt, deren Zäh­ ne jeweils aus zwei unter einem Winkel stehenden Flankenteilen bestehen, wobei weder am Kopf noch am Fuß oder an der Knick­ stelle zwischen den Flankenteilen ein Übergangsradius vorhanden ist. Mit dieser Verzahnung soll bewußt keine Flächenberührung sondern Linienberührung zwischen dem Naben- und Wellenteil stattfinden.

In der US-PS 29 69 250 ist eine Verzahnung offenbart, die ebenfalls nur gekrümmte Zahnflanken aufweist und daher nur Linienberührung erlaubt.

Diese zuletzt genannten Entgegenhaltungen betreffen insbesonde­ re Sechskantköpfe von Schrauben und erfüllen daher nicht die an Wellen-Nabe-Verbindungen gestellten Anforderungen bezüglich Zentriergenauigkeit, Flankentragfähigkeit und Verschleißfestig­ keit.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verzahnung für zwei koaxial ineinanderliegende relativ zueinander verschiebbare Bauteile zur Übertragung eines Drehmomentes zu schaffen, die die genann­ ten Nachteile umgeht, eine hohe Tragfähigkeit und gute Zen­ triergenauigkeit aufweist und sich mit engen Toleranzen wirt­ schaftlich herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird eine Verzahnung vorgeschlagen mit einem niedrigen und breiten Zahn mit geraden Flanken, großen Ausrun­ dungsradien im Kopf- und Fußbereich und großem Eingriffswinkel. Aus diesen Merkmalen ergibt es sich, daß die Teilung der Ver­ zahnung stets verhältnismäßig groß ist, vorzugsweise größer als das 3-fache der Zahnhöhe.

Gemäß der Erfindung betragen die Ausrundungsradien am Zahnfuß und am Zahnkopf jeweils das 1- bis 2-fache der Zahnhöhe. Bei den bekannten Verzahnungen ist dagegen immer nur ein verhält­ nismäßig kleiner Ausrundungsradius vorhanden, der unabhängig von der Zahnhöhe gewählt ist. Der Flankenwinkel liegt gemäß der Erfindung zwischen 50 und 70 Grad, vorzugsweise zwischen 55 und 65 Grad, also ungefähr doppelt so hoch wie bei bekannten Ver­ zahnungen.

Erfindungswesentlich ist ferner, daß der Eingriffswinkel der nabenseitigen Zähne geringfügig kleiner ist als derjenige der wellenseitigen Zähne. Der Unterschied zwischen den Eingriffs­ winkeln ist so gewählt, daß eine Berührung der Zähne entlang der ganzen geraden Flanken beider Teile erst dann zustande kommt, wenn das erforderliche und herstellungsbedingte Flanken­ spiel nach Einwirkung des Drehmomentes zwischen den Teilen überwunden ist, d.h. wenn eine spielbedingte Verdrehung beider Teile eingetreten ist.

Die mit diesen Parametern hergestellte Verzahnung weist folgen­ de Vorteile auf: Es handelt sich um eine flankenzentrierte Ver­ zahnung mit besonders hoher Tragfähigkeit, bei der die Umfangs­ kraft vollflächig über große ebene Flächen an den Zahnflanken übertragbar ist. Die Zähne unterliegen dank der stumpfen Zahn­ form und der großen Ausrundungsradien am Zahnfuß nur geringer Verformung, was zu sehr hoher Dauerfestigkeit und Zentrierge­ nauigkeit sowie geräuscharmem Betrieb führt. Aufgrund der gro­ ßen Zahnteilung und Ausrundungsradien besteht die Möglichkeit, die Verzahnung mittels eines Schaftfräsers herzustellen, dessen Drehachse parallel zur Verzahnungsachse liegt. Bei dieser Fer­ tigungsmethode, für die sich programmgesteuerte Maschinen gut eignen, ist es nicht mehr erforderlich, am Ende der Verzahnung einen Auslauf für einen Abwälzfräser üblicher Art oder ein Stoßwerkzeug vorzusehen, was zu einer Verkürzung der Bauteile und konstruktiven Vereinfachung führt.

Wählt man zur Herstellung des nabenseitigen Teils - sofern es sich um ein Paket aus dünnen Blechlamellen handelt - wiederum das Stanzverfahren, so ergibt sich auch hier eine bessere Fer­ tigungsqualität durch kleinere Verformung an den Kanten infolge der stumpfen Zahnform und des großen Fußausrundungsradius und somit höhere Tragfähigkeit der Berührfläche, ferner ein einfa­ cheres Stanzwerkzeug mit längerer Gebrauchsdauer.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel zeigt, näher erläutert.

Es zeigt Fig. 1 den geometrischen Aufbau der Verzahnung. Fig. 2 die Verzahnung mit Flankenspiel.

Fig. 3 die Verzahnung in einer Mittellage, nach Verdrehung um den Winkel b/2.

In Fig. 1 ist der geometrische Aufbau der erfindungsgemäßen Verzahnung mit einer Welle 1 und einem wellenseitigen Zahn 2 sowie einer Nabe 3 und einem nabenseitigen Zahn 4 in der Aus­ führungsform mit unendlicher Zähnezahl, d.h. in geradliniger Strecklage (Abwicklung) ohne Flankenspiel nach Art einer Zahn­ stange im Querschnitt senkrecht zur Wellenachse dargestellt. Der größte Außendurchmesser D ist vom Bauraum in der Nabe 3, und der kleinste Innendurchmesser d von der Welle 1 bestimmt. Die Zahnhöhe h ist dann bestimmt durch die halbe Differenz zwi­ schen dem Außendurchmesser D und dem Innendurchmesser d. Mit T ist die Teilung der Verzahnung bezeichnet, die größer ist als das Dreifache der Zahnhöhe h, ein vorteilhafter Wert ist die fünffache Zahnhöhe h. Der Zahnkopf ist mit einem einzigen Kopf­ radius 5, der Zahnfuß mit einem einzigen Fußradius 6 ausgerun­ det, wobei theoretisch der Fußradius der Welle dem Kopfradius der Nabe und umgekehrt entspricht. Beide Kopf- bzw. Fußradien 5, 6 sind durch eine gerade Zahnflanke 7 verbunden, die sich jeweils tangential an die beiden Radien anschließt. Beide Aus­ rundungsradien 5, 6 betragen das Ein- bis Zweifache, vorzugs­ weise das Eineinhalbfache der Zahnhöhe h. Die Zahnflanke 7 am nabenseitigen und wellenseitigen Zahn steht durch Anwendung dieser Parameter unter einem Eingriffswinkel a, der zwischen 50 und 70 Grad, vorzugsweise zwischen 55 und 65 Grad liegt. Den unteren Grenzwert für den Fußradius 6 bildet der Durchmesser des Fräsers bzw. Werkzeuges, mit dem die Verzahnung hergestellt wird. Der obere Grenzwert ist gegeben durch den geometrischen Zusammenhang, daß die Zahnflanke, die die Tangente zwischen dem Kopf- und Fußausrundungsradius bildet mit zunehmenden Radien 5, 6 kürzer wird. Die Radien 5, 6 sind so gewählt, daß zwischen den Einmündungspunkten 8 der Radien 5, 6 in die Flanke 7 eine Gerade und somit am ganzen Zahn eine Fläche entsteht, deren radiale Erstreckung r ca. 0,6 mal die Zahnhöhe h beträgt. Diese Fläche ist eben und stellt die eigentliche Berührfläche dar, über die die Umfangskraft vollflächig von der Welle auf die Nabe übertragen werden kann.

Um ein ausschließliches Tragen der Verzahnung nur an den Flan­ ken 7 zu gewährleisten und zu verhindern, daß zwischen dem Kopfbereich z.B. der Wellenzähne 2 und dem Fußbereich der Na­ benzähne 4 eine Berührung stattfindet, können die Kopf- und Fußradien 5, 6 unterschiedlich ausgeführt werden. Es ist ferner möglich, eine Kopfkürzung vorzunehmen, z.B. an der Welle 1 auf den Durchmesser 9, wobei die Kürzung so erfolgt, daß der gerade Bereich der Flanke 7 in voller Erstreckung erhalten bleibt. Diese Kürzung eignet sich vorzugsweise für die wellenseitigen Zähne. Eine andere Form der Kopfkürzung besteht darin, am Ein­ mündungspunkt 8 des Kopfradius 5 einen kleinen Radius 10 anzu­ fügen, dem sich ein geradliniger Teil 11 bis zur Zahnmitte an­ schließt und sich symmetrisch zur rückseitigen Flanke 7 fort­ setzt. Diese Form der Kopfkürzung eignet sich vor allem für die nabenseitigen Zähne 4 insbesondere dann, wenn die Nabe aus ei­ nem Paket aus dünnen gestanzten Blechlamellen besteht. Vorzugs­ weise wird der Radius 10 gleich oder größer ausgeführt als die Blechstärke der einzelnen Blechlamellen. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß sich nur ein kleiner Stanzeinzug, d.h. Ver­ formung an den gestanzten Blechkanten bildet, was wiederum zur Erhöhung des tragenden Flächenanteiles führt. Da im Gegensatz zum Stand der Technik zwischen den Flanken 7 beider Bauteile eine vollflächige Berührung stattfindet, ist auf diese Weise Raum geschaffen für ein Schmiermittel und die Ablage von Schmutzteilchen.

Die Fig. 2 zeigt eine detailliertere und der praktischen Aus­ führung nahekommende Darstellung des Flankenbereichs zwischen Welle 1 und Nabe 3 gerundet in der Anordnung um eine zentrale Achse. Dargestellt ist der Zustand, bei dem sich auf der einen Seite des Zahnes 2 die Flanken 7 der Nabe und Welle flächig berühren, während auf der anderen Seite das volle Flankenspiel 12 sichtbar ist. Der Zahn 2 der Welle 1 weist eine Zahnform auf, die den zu Fig. 1 beschriebenen Parametern entspricht. Zwischen dem wellenseitigen Zahn 2 und dem nabenseitigen Zahn 4 ist ein für die Funktion der Verzahnung erforderliches und auch herstellungsbedingtes Flankenspiel 12 vorhanden. Dies äußert sich durch eine relative Verdrehmöglichkeit zwischen Welle und Nabe. Einem Verdrehwinkel b entspricht aber eine Abweichung von der parallelen Lage seitens beider einander zugehöriger Flanken 7 der wellen- und nabenseitigen Zähne 2 und 4. Werden beide Teile mit geometrisch identischen Zähnen hergestellt, so ist ein absolut ganzflächiger Kontakt zwischen den Flanken 7 nicht möglich, es erfolgt Linienberührung mit deren Nachteilen. Gemäß der Erfindung sind die wellenseitigen Zähne 2 gegenüber der Lücke zwischen den nabenseitigen Zähnen 4 mit einem größeren Eingriffswinkel a versehen, der die relative Verdrehung der Teile 1 und unter 3 Überwindung des Flankenspiels 12 unter der Wirkung des Drehmoments berücksichtigt. Dabei setzt sich der Eingriffswinkel a des wellenseitigen Zahnes 2 zusammen aus dem Eingriffswinkel c zwischen zwei nabenseitigen Zähnen und dem halben Verdrehwinkel, also b/2. Ist das Flankenspiel 12, also der ganze Verdrehwinkel b, überwunden, decken sich die Flanken 7 der sich berührenden naben- und wellenseitigen Zähne auf ihrer ganzen Länge. Die Wahl der Größe des Flankenspiels 12 (entsprechend dem Winkel b), welches dem doppelten Wert des Unterschiedes zwischen dem Eingriffswinkel a und dem Eingriffs­ winkel c entspricht, hängt ab von der Fertigungsgüte der Naben­ verzahnung 4 und der Wellenverzahnung 2 sowie einem gewünschten Minimalspiel zwischen beiden Teilen. Durch die Berücksichtigung des Flankenspiels 12 bei der Festlegung des Eingriffswinkels c an den nabenseitigen Zähnen 4 aber kommt die hohe Zentrierge­ nauigkeit und das gute Tragverhalten zustande, das diese Ver­ zahnung auszeichnet.

Die Fig. 3 zeigt darüber hinaus die Verzahnung in einer Mit­ tellage, bei der zwischen den Flanken 7 jeweils der halbe Ver­ drehwinkel b/2 vorliegt. Angegeben sind ferner die in der prak­ tischen Ausführung unterschiedlichen Eingriffswinkel a und c. Die Flanken 7 der wellen- und nabenseitigen Zähne 2 und 4 kom­ men nach Verdrehung um den Winkel b/2 zu vollflächiger Berüh­ rung aufeinander. Im Gegensatz hierzu zeigt die Fig. 1 wie beschrieben die Verzahnung ohne Flankenspiel in gestreckter Lage, wobei der Eingriffswinkel a dieselbe Größe hat wie der Eingriffswinkel c.

Während die in der DIN-Norm festgelegten Verzahnung von einem festen Bezugsprofil mit unveränderlichem Eingriffswinkel aus­ geht, bedient sich die Erfindung einer auf den Einsatzfall spe­ ziell zugeschnittenen Zahnform. Der Eingriffswinkel a, c hat keinen festen Wert, sondern ist eine von dem zwischen den Au­ ßen- und Innendurchmessern D und d zur Verfügung stehenden Bau­ raum sowie den Radien 5, 6 und der Zähnezahl abhängige Größe. Ferner werden die Abrundungsradien für den Zahnkopf und den Zahnfuß so gewählt, daß zwischen der tangential wirkenden Um­ fangskraft bei Einwirkung eines Drehmoments und der Flanke 7 ein Winkel zustandekommt, der größer als der Reibungswinkel ist. Dadurch wird ein Verkeilen z.B. des wellenseitigen Zahnes 2 in der zugehörigen Lücke der Nabe 3 und die dabei auftretende Selbsthemmung vermieden. Die Nabe 3 behält dadurch auf der Wel­ le 1 ihre uneingeschränkte axiale Beweglichkeit.

Claims (6)

1. Verzahnung zur lös- und verschiebbaren Verbindung sowie Drehmomentübertragung zwischen zwei koaxial ineinander an­ geordneten Bauteilen, z.B. einem wellenseitigen Innenteil, das den kleinsten Außendurchmesser (D), und einem nabensei­ tigen Außenteil, das den größten Innendurchmesser (d) der Verzahnung bestimmt, ferner mit einer Anzahl Zähnen, deren Zahnhöhe (h) von den genannten Durchmessern (D, d) abhängt und die gerade Zahnflanken aufweisen, die unter einem Ein­ griffswinkel zueinander stehen sowie Fuß- und Kopfausrun­ dungsradien aufweisen, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) der Ausrundungsradius am Zahnfuß oder Zahnkopf beträgt das 1- bis 2-fache der Zahnhöhe (h);
• b) der Eingriffswinkel (a) liegt im Bereich zwischen 55 und 70 Grad;
• c) zwischen den Zähnen (2) des wellenseitigen Teils (1) und den Zähnen (4) des nabenseitigen Teils (3) ist ein Flankenspiel (12) vorhanden, wobei der Eingriffswinkel (a) der Wellenverzahnung (2) um einen Betrag, der dem halben Verdrehwinkel (b) bei Überwindung des Flanken­ spiels (12) zwischen Welle (1) und Nabe (3) ent­ spricht, größer ist als der Eingriffswinkel (c) der Naben­ verzahnung (4).

2. Verzahnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken (7) zweier benachbarter Zähne (2, 4) eines der bei­ den Bauteile durch einen einzigen gemeinsamen Ausrundungs­ radius (5, 6) verbunden sind.

3. Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Eingriffswinkel (a) so gewählt ist, daß bei der Verdrehung und unter der Wirkung des Drehmomen­ tes keine Verkeilung zwischen Welle (1) und Nabe (3) durch Selbsthemmung eintritt.

4. Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Eingriffswinkel (a) zwischen 55 und 65 Grad liegt.

5. Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Zahnhöhe (h) zum größten Außendurchmesser (D) zwischen 1:20 und 1:50 liegt.

6. Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (T) größer ist als das 3-fache der Zahnhöhe (h).