DE4337413C1 - Periodisch übersetzendes Getriebe mit unrunden Zahnrädern - Google Patents

Description

Getriebe mit unrunden Zahnrädern zur Leistungsübertragung zwi­ schen Kraft- und Arbeitsmaschine realisieren bei konstanter Antriebsdrehzahl sich periodisch verändernde Abtriebsdrehzah­ len. Solche Zahnradgetriebe bauen im Vergleich zu anderen Me­ chanismen zur Erzeugung periodischer Bewegungsgesetze relativ kompakt.

Bei der Paarung von unrunden Zahnrädern besteht das Problem, daß beim Übergang von einer Beschleunigungsphase oder statio­ nären Phase in eine Verzögerungsphase bzw. umgekehrt ein mit Stoß verbundener Flankenwechsel erfolgt. Solche dynamischen Stöße verringern die Tragfähigkeit und erhöhen den Geräuschpe­ gel.

In der Beschleunigungsphase fließt die Leistung von der Kraft­ zur Arbeitsmaschine und in der Verzögerungsphase umgekehrt von der Arbeits- zur Kraftmaschine. Der motorische und generatori­ sche Betrieb der Kraftmaschine führt zu Drehzahlschwankungen. Solche Drehzahländerungen der Kraftmaschine können störend wirken. Sie verursachen z. B. bei einer Arbeitsmaschine für einen Taktbetrieb unerwünschte Phasenverschiebungen.

Nach der Auslegeschrift DE 11 87 448 steht ein mit konstanter Winkelgeschwindigkeit drehendes unrundes Zahnrad mit zwei ge­ genüberliegenden gleichen Unrundzahnrädern im Eingriff, von denen ein Rad für den Antrieb einer periodisch bewegten Ar­ beitsmaschine und das andere, und zwar um 180° versetzt, für den Anschluß eines Schwungradspeichers dient. Die Auslegung der unrunden Zahnräder erfolgt so, daß die Summe der kineti­ schen Energien des Systems konstant ist und daß der Antriebs­ motor nur die Verlustleistungen zu decken hat. Dadurch erfährt dieser keine Drehzahlschwankungen. Mit dieser Anordnung läßt sich aber nur ein Bewegungsgesetz mit gleichen Zeiten für die Beschleunigungs- und Verzögerungsphase sowie mit gleichen Zei­ ten für die dazwischen liegenden Konstantphasen verwirklichen, da zu gleichen gegenüberliegenden Phasenwinkeln des mittleren mit konstanter Winkelgeschwindigkeit drehenden Unrundzahnrades gleiche Zeiten gehören.

Die Offenlegungsschrift DE 41 03 946 A1 beinhaltet periodisch übersetzende Getriebe mit unrunden Zahnrädern. Die dargestell­ ten Getriebe sind zweistufig. Es wird die Aufgabe gelöst, das periodische Bewegungsgesetz während des Laufes zu verstellen. Hierzu erfolgt mit einer geeigneten Einrichtung, z. B. einer hydrostatischen Verdrehkupplung eine Relativverdrehung der auf Zwischenwelle sitzenden Unrundräder.

Die Offenlegungsschrift DE 32 02 242 A1 beschreibt ein perio­ disch übersetzendes Getriebe mit runden Zahnrädern. Zwei auf der Abtriebswelle parallel zueinander gelagerte Zahnräder werden von drehfest mit der Antriebswelle verbundenen Zahnrä­ dern mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten, z. B. ge­ genläufig angetrieben. Die Koppelung der beiden auf der Ab­ triebswelle gelagerten Zahnräder übernimmt ein Zahnradsegment mit versetzten Lagerzapfen, von denen sich einer exzentrisch in einem Zahnrad und der andere in einer stirnseitigen Nut des anderen Zahnrades befindet. Das Zahnradsegment des Koppelglie­ des steht mit einem Zahnradsegment auf der Abtriebswelle im Eingriff. Diese Zahnradsegmente führen bei einer konstanten Drehzahl der Antriebswelle zu einer schwingenden Bewegung der Abtriebswelle.

Aus der Offenlegungsschrift DE 25 07 844 geht ein dreiwelliges Planetengetriebe hervor, bei dem zum Zwanglauf das runde Hohl­ zahnrad und der Steg mit den in ihm gelagerten runden Planetenzahnrädern durch ein zweistufiges Vorgelege mit unrun­ den Zahnrädern gekoppelt werden. Durch die veränderliche Über­ setzung der Vorgelege entsteht an dem mit der Abtriebswelle verbundenen runden Sonnenzahnrad das gewünschte Bewegungsge­ setz.

Die vorgenannten Schriften zeigen keine Maßnahmen auf, die infolge der periodischen Beschleunigungen und Verzögerun­ gen mit Stößen verbundenes Rückflankentragen der Zähne ver­ meiden.

Bekannt sind Kreislaufprüfstände für Tragfähigkeitsuntersu­ chungen an runden Zahnrädern. Zum Beispiel werden zwei parallel an­ geordnete Stirnradsätze im Stillstand mit Hilfe einer Verdreh­ kupplung verspannt, so daß bei einem Radsatz die Vorderflanken und bei dem anderen die Rückflanken unter gleicher Belastung stehen. Während des Laufes kreist zwischen den beiden Radsät­ zen die gewünschte Leistung, wobei der Motor nur die Verlust­ leistung zu decken hat. Die Belastung der Radsätze bleibt während des Betriebes konstant.

Die Verspannung von zwei parallel angeordneten Zahnradsätzen mit runden Rädern nutzt man auch aus, um Flankenspiele bei Um­ kehr der Drehmomentenrichtung unter Beibehaltung der Drehrich­ tungen zu vermeiden. Um ein Flankenabheben und damit Spiel zu verhindern, muß das Verspanndrehmoment mindestens gleich dem maximalen Betriebsdrehmoment sein. Dies bedeutet, daß die das Drehmoment weiter leitende Zahnradpaarung jeweils mindestens für das doppelte Betriebsdrehmoment ausgelegt sein muß.

Unter Berücksichtigung des aufgezeigten Standes der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Getriebe mit unrun­ den Zahnrädern und Schwungradspeicher vorzuschlagen, das bei konstanter Antriebswinkelgeschwindigkeit an der Abtriebswelle während einer Umdrehung, d. h. während einer Periode die Pha­ sen konstante, abnehmende, konstante und zunehmende Winkelge­ schwindigkeit bzw. umgekehrt erzeugt, wobei die Zeitanteile der verschiedenen Phasen, insbesondere der Phasen mit konstan­ ter Winkelgeschwindigkeit unterschiedlich groß sind. Ferner soll das Problem gelöst werden, daß bei Änderung der Bewe­ gungsphasen kein stoßhaftes Rückflankentragen der Zahnflanken auftritt.

Erfindungsgemäß wird zur Realisierung des Bewegungsgesetzes der Abtriebswelle mit ungleichen Zeitanteilen der einzelnen Phasen zwischen Antriebswelle und Schwungrad ein zweiter Rad­ satz mit unrunden Zahnrädern vorgesehen, die solche Wälzkurven haben und die so relativ zum anderen Radsatz, der sich zwi­ schen An- und Abtriebswelle befindet, eingebaut sind, daß die Summe der kinetischen Energien des Systems konstant bleibt. Die Wälzkurven der Räder des zweiten Radsatzes sind anders als die der Räder des anderen Radsatzes. In den Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen tauschen Speicherwelle mit zugehörigen Massen und Abtriebwelle mit zugehörigen Massen ihre kinetischen Energien aus, so daß der Motor nur die Verlustleistung und Beharrungsleistung einzuspeisen hat.

Zur Vermeidung des stoßhaften Flankenwechsels der im Eingriff befindlichen Zahnräder werden zwischen Antriebswelle und Ab­ triebswelle einerseits und zwischen Antriebswelle und Spei­ cherwelle andererseits jeweils zwei gleiche Radsätze parallel und deckungsgleich zueinander angeordnet, die sich im Still­ stand mit jeweils einer Verdrehkupplung vorspannen lassen, wo­ bei erfindungsgemäß in Weiterführung des Standes der Technik ein Abheben der Flanken im Rahmen des Flankenspiels der unbe­ lasteten Zahneingriffe ermöglicht wird. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die elastische Relativverdrehung der beiden Wellen im jeweiligen Radsatz infolge der Differenz von maxima­ lem Betriebsdrehmoment und Vorspanndrehmoment kleiner als das Verdrehflankenspiel der entlasteten Verzahnung ist. Diese Maß­ nahme verringert erheblich das notwendige Vorspanndrehmoment und damit beachtlich die maximale Belastung der einzelnen Zahneingriffe.

Die Fig. 1 bis 6 erläutern das erfindungsgemäße Getriebe am Beispiel einer Treibscheibe mit periodisch sich verändernder Drehzahl für ein Förderband.

Fig. 1 enthält die von der Zeit t abhängigen kinematischen Größen der Abtriebswelle II bzw. der Treibscheibe IV. Die Taktzeit, d. h. die Zeit einer Periode von 0,13 Sekunden ent­ spricht einer Umdrehung der Antriebswelle I bzw. der Ab­ triebswelle II. Es bedeuten ε_II Winkelverzögerung bzw. Winkel­ beschleunigung, ω_II Winkelgeschwindigkeit und α_II Drehwinkel. Die Konstantphasen für ε_II = 0 dauern unterschiedlich lange.

Fig. 2 stellt schematisch das System dar. Es verbindet der Radsatz mit den Unrundrädern 1; 2 die Antriebswelle I mit der Abtriebswelle II und der Radsatz mit den Unrundrädern 3; 4 die Antriebswelle I mit der Speicherwelle III. Es gehören zur Abtriebswelle II die Treibscheibe IV mit dem Förderband und zur Speicherwelle III das Schwungrad V. Es bezeichnen ω_I die konstante Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle I, ω_II die veränderliche Winkelgeschwindigkeit der Abtriebswelle II und ω_III die veränderliche Winkelgeschwindigkeit der Speicherwelle III.

Der Radsatz mit den Unrundzahnrädern 1; 2 nach Fig. 3 erfüllt die in Fig. 1 vorgegebenen kinematischen Bedingungen. Fig. 3 stellt die Drehachsen bzw. Drehpunkte 0 _I; 0_II der Räder dar, zeigt die aufeinander abrollenden Wälzkurven mit den variablen Radien r_w1; r_w2, ferner Zähne und die momentane Lage des Wälz­ punktes C, in dem sich die Wälzkurven berühren und der stets auf der Verbindungsgeraden der Drehpunkte 0 _I; 0_II liegt. Das Radienverhältnis r_w2/r_w1 bildet die periodisch sich verändern­ de Übersetzung ω_I/ω_II des Radsatzes.

Die in Fig. 3 gezeigte momentane Stellung der Unrundzahnräder entspricht der Zeit t = 0 in Fig. 1. Mit Bezug auf die Dreh­ winkelstellung der Treibscheibe IV bzw. Abtriebswelle II be­ deuten für das Förderband: E Einlegephase, V Verzögerungs­ phase, A Auslegephase und B Beschleunigungsphase. Die zu den Phasen E und A gehörenden Wälzkurventeile sind Kreisbögen. Es begrenzen am Rad 1 die Radien r_w1max die Phase E und die Radien r_w1min die Phase A sowie umgekehrt am Rad 2 r_w2min die Phase E und r_w2max die Phase A. Fig. 3 gibt auch die zu den einzelnen Phasen bzw. Bereichen gehörenden Beträge der Dreh­ winkel α_I und α_II an.

Analog zu Fig. 3 zeigt Fig. 4 gemäß der Erfindung den Radsatz für den Anschluß der Antriebswelle I an die Speicherwelle III bzw. an das Schwungrad V. Fig. 4 kennzeichnet wieder die Dreh­ achsen 0 _I und 0_III der Räder 3 und 4, die Radien r_w3max; r_w3min sowie r_w4max; r_w4min und ferner die Bereiche E; V; A und B für die Treibscheibe IV mit den jeweils zugehörigen Win­ kelbereichen α_I und α_III und die Winkelgeschwindigkeiten ω_I und ω_III. Der momentane Wälzpunkt c entspricht wieder der Zeit t = 0 in Fig. 1. Die Wälzkurven der Räder 1 und 3 einerseits und 2 und 4 andererseits unterscheiden sich in ihrer Form.

Fig. 5 zeigt analog Fig. 1 die Winkelbeschleunigungen bzw. -verzögerungen ε_III, die Winkelgeschwindigkeiten ω_III und die Drehwinkel α_III der Speicherwelle III abhängig von der Zeit t.

Mit Bezug auf Fig. 2 zeigt Fig. 6 zwischen Antriebswelle I und Abtriebswelle II parallel zum Radsatz 1; 2 den gleichen Radsatz 1′; 2′ und zwischen Antriebswelle I und Speicherwelle III parallel zum Radsatz 3; 4 den gleichen Radsatz 3′; 4′. Die parallelen Radsätze sind jeweils deckungsgleich angeordnet. Im Sinne der Erfindung lassen sich die Radsätze 1; 2 und 1′; 2′ mit der Verdrehkupplung K_II und die Radsätze 3; 4 und 3′; 4′ mit der Verdrehkupplung K_III im Stillstand so vorspannen, daß unter Ausnutzung des Flankenspiels ein Flankenwechsel der im Eingriff befindlichen Zähne vermieden wird.

Claims (2)

1. Periodisch übersetzendes Getriebe mit unrunden Zahnrädern (1; 2) und einem Schwungradspeicher V zur Erzeugung eines Bewegungsgesetzes, dessen Periode einer Umdrehung der An­ triebswelle I bzw. Abtriebswelle II entspricht und das bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle I in zeitlicher Reihenfolge an der Abtriebswelle II eine Phase mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, eine Phase mit sich verzögernder Winkelgeschwindigkeit, wieder eine Phase mit konstanter Winkelgeschwindigkeit und dann eine Phase mit sich beschleunigender Winkelgeschwindigkeit ausweist oder in zeitlicher Reihenfolge einen umgekehrten Phasenverlauf hat, wobei die Zeitanteile für die einzelnen Phasen, insbe­ sondere die Phasen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit un­ terschiedlich groß sind, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Antriebswelle I und Speicherwelle III mit Schwungrad V sich ein zweiter Radsatz mit unrunden Zahn­ rädern 3; 4 befindet, dessen Wälzkurven sich von denen des Radsatzes mit den unrunden Zahnrädern 1; 2 unterscheiden, da die Wälzkurven der Zahnräder 3; 4 so ausgelegt sind, daß die kinetische Energie des Systems stets konstant ist, wo­ bei das System aus der Antriebswelle I, der Abtriebswelle II und der Speicherwelle III mit den jeweils zugehörigen Massen besteht.

2. Periodisch übersetzendes Getriebe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Antriebswelle I und Abtriebswelle II einer­ seits und zwischen Antriebswelle I und Speicherwelle III andererseits jeweils zwei gleiche Radsätze 1; 2 und 1′; 2′ sowie 3; 4 und 3′; 4′ in jeweils deckungsgleicher Anordnung vorgesehen sind, wobei im Stillstand das Radsatzpaar 1; 2 und 1′ 2′ mit der Verdrehkupplung K_II und das Radsatzpaar 3; 4 und 3′; 4′ mit der Verdrehkupplung K_III so vorgespannt wird, daß die elastische Relativverdrehung der Wellenab­ schnitte zwischen den Radsätzen 1; 2 und 1′; 2′ einerseits sowie 3; 4 und 3′; 4′ andererseits jeweils infolge der Dif­ ferenz vom maximalen Betriebsdrehmoment und Vorspanndrehmo­ ment kleiner als das Verdrehflankenspiel der betroffenen entlasteten Verzahnung ist.