DE4425496A1

DE4425496A1 - Mit Stegen versehenes Kegelrad

Info

Publication number: DE4425496A1
Application number: DE4425496A
Authority: DE
Inventors: Kenji Takita; Yasuhiro Suzuki; Toshio Kimura
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1993-07-19
Filing date: 1994-07-19
Publication date: 1995-02-23
Also published as: US5528952A

Description

Die folgende Erfindung betrifft ein Kegelrad, welches z. B. in einem Differenti algetriebe eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, und betrifft insbesondere ein mit Stegen versehenes Kegelrad, welches hinsichtlich der mechanischen Festigkeit verbessert ist durch Ausbilden von Stegen an den radial äußeren Enden des Kegelrades.

Im allgemeinen ist die Festigkeit eines Getriebes ein wichtiger Faktor, wenn man Überlegungen anstrengt, ein Kegelrad zu verkleinern, d. h. ein Kegelrad gehäuse zu verkleinern, oder wenn man in Erwägung zieht, ein solches Getriebe für Maschinen mit Hochleistungsmotoren zu verwenden.

Die Festigkeit eines Kegelrades ist generell zur Größe und zu den Kosten des Rades proportional. Demgemäß besteht ein aktuelles bemerkenswertes Problem darin, wie man ein Kegelrad mit einer vorbestimmten Festigkeit erhalten kann, ohne daß es erforderlich ist, dieses Rad zu vergrößern.

Um das obige Problem zu lösen, ist, wie in der japanischen Patentoffenlegung Nr. 63-215329 offenbart, ein mit Stegen versehenes Kegelrad entwickelt worden, bei welchem die mechanische Festigkeit des Kegelrades verbessert ist durch Ausbilden von Stegen an den radialen äußeren Enden des Kegelra des.

Das Kegelrad, welches in der obigen Patentveröffentlichung offenbart ist, soll verkleinerbar sein und zur selben Zeit eine verbesserte mechanische Festigkeit haben.

Viele Beschädigungen von Getrieben bzw. Zahnrädern bzw. Kegelrädern ergeben sich aus dem Verlust eines Zahnes aufgrund von Biegung oder aus Grübchenbildung ("pitting") und/oder Rillenbildung ("scoring") der Zahnober fläche. Um solche Schäden zu vermeiden, sind viele Versuche unternommen worden, die Festigkeit der Zahnoberfläche und der Fußhöhe bzw. des Berei ches der Fußhöhe zu verbessern. Wenn im Bereich der Fußhöhe eine Biegung auftritt, wird keine Leistung übertragen, so daß das Kegelrad nicht geeignet arbeiten kann. Um eine solche Biegung zu verhindern, ist, um die Belastung im Bereich der Fußhöhe zu vermindern und dessen Festigkeit zu verbessern, ein mit Stegen versehenes Kegelrad in die Praxis umgesetzt worden, welches Stege an radial äußeren Enden ausgebildet hat.

Ein derartiges herkömmliches Kegelrad bringt jedoch die folgenden Probleme mit sich.

Als ein Beispiel von herkömmlichen Kegelrädern, welche die Belastung im Bereich der Fußhöhe vermindern, ist ein mit der Bezugsziffer 30 angegebenes, mit Stegen versehenes Kegelrad in Fig. 7 gezeigt. Ein solches Kegelrad muß generell schwerer sein als herkömmliche Kegelräder ohne Stege und weiterhin muß die Zahntragefläche einwärts versetzt werden, um Störungen mit dem kämmenden Kegelrad zu vermeiden. Im Ergebnis ist das Übertragungsdrehmo ment vermindert und weiterhin ist die Lastkapazität nicht erhöht wie erwartet.

Bei einem Kegelrad, welches in Fig. 8 mit der Bezugsziffer 32 gezeigt ist und welches mit Stegen an der Rückseite versehen ist, sind die Abmessungen vergrößert und die Kegelradgehäusegröße ist demgemäß erhöht, was eine Zunahme des Gewichtes des Differentialgetriebes mit sich bringt.

Weiter muß bei einem Kegelrad, welches in Fig. 9 mit der Bezugsziffer 34 gezeigt ist und welches mit Stegen versehen ist, um den Bereich der Kopfhö he bzw. die Kopfhöhe entlang dem Rücken des Kegels abzudecken, der Durchmesser des Kegelrades erhöht werden, um die Störungen mit dem kämmenden Kegelrad zu vermeiden, wodurch eine Zunahme des Gewichtes des Kegelrades bedingt ist, wie in dem oben beschriebenen Fall des vorheri gen Kegelrades.

Auf der Grundlage des mit Stegen versehenen Kegelrades, welches in dem obigen offengelegten Patent offenbart ist, haben die vorliegenden Erfinder die Festigkeit des Kegelrades geprüft durch Verändern der Form der Stege, und zwar mittels Experiment und Berechnungen, wobei der folgende Punkt ent deckt wurde. Wenn die Form, die Höhe und die Breite des Steges bzw. der Stege jeweils innerhalb vorbestimmter Bereiche eingestellt sind, ist die me chanische Festigkeit des Kegelrades verbessert, was eine größenmäßige Reduzierung des Kegelrades ermöglicht. Die vorliegende Erfindung basiert auf dieser sogenannten Entdeckung.

Demgemäß besteht eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein mit Stegen versehenes Kegelrad anzugeben, welches Stege hat, die in einer minimalen Größe ausgebildet sind, so daß das Kegelrad größenmäßig redu ziert werden kann und auch die mechanische Festigkeit verbessert werden kann.

Um die obige erste Aufgabe zu erzielen, schafft die vorliegende Erfindung ein mit Stegen versehenes Kegelrad, wobei Stege an dem radial äußeren Ende des Kegelrades ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Bestimmen der Höhe (h) von jedem Steg von der Fußhöhe in Relation zu dem Modul (m) des Kegelrades erhaltene Wert die folgende Gleichung (1) erfüllt:

0,2 h/m 0,6 (1)

Die Stege können vorzugsweise mit einer konkav gekrümmten Oberfläche bzw. Fläche ausgebildet sein, welche definiert ist durch Schnittpunkte des Grundkreises mit den radial äußeren Enden jeweiliger zwei benachbarter Zähne. Wenn es schwierig ist, die Verbindung zwischen der Zahnoberfläche und dem Steg zu glätten, z. B. bei einem kleinen Kegelrad mit einer kleinen Fußhöhe, kann die Verbindung von dem Grundkreis versetzt sein, um die Verbindung zwischen den zwei Abschnitten zu glätten.

Weiter ist es von Vorzug, die Breite (w) von jedem der Stege, und zwar gemessen von der hinteren Kegellinie in Richtung parallel zur Erzeugungslinie des Grundkegels, in Relation zu der Breite (W) des Kegelrades zu bestimmen, und zwar gemessen entlang der Erzeugungslinie des Grundteilkegels, so daß die folgende Gleichung (2) erfüllt wird:

0,04 w/W 0,20 (2)

Das Kegelrad des bekannten Typs hat jedoch weiterhin das folgende Problem:

Um die Abnutzungsbeständigkeit und Festigkeit des Kegelrades zu verbes sern, wird das Kegelrad generell einer Karburierung/Härtung, einer Strahlver festigung und/oder dergleichen unterzogen, nachdem es geschnitten bzw. in Form gebracht ist. Eine Oberflächenbehandlung wie eine Karburierung/Här tung wird ausgeführt, obwohl das Kegelrad mit Stegen versehen ist, um die Festigkeit der Zahnoberfläche und des Bereiches der Fußhöhe zu verbessern.

Ein kleines Kegelrad, welches mit kleinen Stegen versehen ist, die vollständig gehärtet bzw. durchgehärtet sind oder spröde geworden sind, nachdem sie karburiert sind oder dergleichen, hat jedoch das Problem von Stegverlusten. Wenn die radial äußeren Enden der Stege auf einer Drehbank gedreht und poliert werden, nachdem sie karburiert/gehärtet sind, so daß die Stege mit vorbestimmten Abmessungen ausgebildet werden können, tritt ein Verlust der Stege auch leicht auf. Wenn eine Strahlverfestigung durchgeführt wird, um eine Rest- bzw. Eigenspannung für die Zahnoberfläche und den Bereich der Fußhöhe zu schaffen, besteht für die Stege die Gefahr, daß sie beschädigt werden. Wenn, wie oben beschrieben, ein Verlust bei den Stegen auftritt, können sie ihren verfolgten Zweck nicht erzielen, was dazu führt, daß die Verbesserung der Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe nicht erreicht wird.

Zusätzlich zu einer Verbesserung der Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe durch das Vorsehen von den Stegen besteht eine Forderung nach weiteren Verbesserungen der Festigkeit der Zahnoberfläche und des Bereiches der Fußhöhe. In einem solchen Fall ist es auch notwendig, einen Verlust der Stege zu vermeiden und die Wirkung des Verbesserns der Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe aufrechtzuerhalten, welche durch das Vorsehen der Stege erhalten ist.

Demgemäß besteht eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein mit Stegen versehenes Kegelrad anzugeben, welches erhalten wird durch Ausbilden von Stegen derart, daß ein Verlust der Stege vermieden werden kann, wodurch die Wirkung des Verbesserns der Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe durch das Vorsehen der Stege aufrechterhalten wird, was zu weite ren Verbesserungen der Festigkeit als auch einer Zunahme der Abnutzungs beständigkeit der Zahnoberfläche und des Bereiches der Fußhöhe führt.

Um die obige zweite Aufgabe zu erzielen, erfährt das mit Stegen versehene Kegelrad der vorliegenden Erfindung eine Oberflächenbehandlung wie eine Karburierung und/oder Nitridierung in einem Zustand, bei welchem die Stege mit einem Oberflächenbehandlungshemmer überzogen sind.

Die vorliegenden Erfinder haben dabei den folgenden Punkt erkannt. Da die Stege, welche vorgesehen sind, mit dem Ziel, die Belastung bzw. Spannung im Bereich der Fußhöhe zu lindern, um die Festigkeit davon zu verbessern, nicht in Kontakt mit einem kämmenden Kegelrad sind, ist es nicht erforder lich, daß sie eine so hohe Härte haben, wie sie für die Zahnoberfläche gefor dert ist. Es wird verhindert, daß die Stege der Oberflächenbehandlung unter zogen werden, so daß ein Verlust der Stege vermieden werden kann, wo durch die Verbesserung der Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe aufrechter halten wird, und wodurch die Festigkeit verbessert als auch die Abnutzungs beständigkeit der Zahnoberfläche und des Bereiches der Fußhöhe erhöht wird.

Die Oberfläche des Bereiches der Fußhöhe kann vorzugsweise mit einer harten Schicht beschichtet sein. Die Dicke (t1) der harten Schicht kann vorzugsweise t1 0,03 m in Relation zu dem Modul (m) des Kegelrades sein.

Die Stege werden vorzugsweise nicht mit der harten Schicht beschichtet. Die Dicke (t2) der harten Schicht, welche auf die Zahntrage- bzw. Zahnstütz fläche aufgebracht ist, kann vorzugsweise t2 0,15 m in Relation zu dem Modul (m) des Kegelrades sein.

Gemäß dem mit Stegen versehenen Kegelrad der vorliegenden Erfindung wird die Höhe (h) der Stege ausgehend von der Fußhöhe in Relation zu dem Modul (m) des Kegelrades so bestimmt, damit die folgende Gleichung (1) erfüllt wird:

0,2 h/m 0,6 (1)
und somit kann die Belastung bzw. Spannung in der Fußhöhe bzw. im Bereich der Fußhöhe minimiert werden.

Mit anderen Worten wird gewöhnlich angenommen, daß eine Spannung im Bereich der Fußhöhe um so geringer ist, je größer die Höhe der Stege ist und daß die mechanische Festigkeit des Kegelrades um so mehr erhöht ist. Gemäß einem von den vorliegenden Erfindern ausgeführten Experiment wurde jedoch bestätigt, daß es einen gewissen optimalen Bereich der Höhe der Stege gibt, um eine Belastung bzw. Spannung im Bereich der Fußhöhe zu minimieren. Somit ist es nicht notwendig, die Stege so hoch auszubilden, daß es notwen dig würde, die Abmessungen des Kegelrades zu erhöhen, was auch Störun gen mit einem anderen Kegelrad verursachen könnte, welches mit einem der artigen Kegelrad in Eingriff steht. Somit kann das Kegelrad verkleinert wer den.

Gemäß dem mit Stegen versehenen Kegelrad der vorliegenden Erfindung sind die Anfangspunkte und Form der Stege bestimmt durch das Modul, die Zahnzahl, den Eingriffswinkel und die Zahnbreite des Kegelrades. Die Bezie hung der Zahnzahl z, des Stirneingriffswinkels bzw. Eingriffswinkels a und des Durchmessers des Grundkreises dg in Relation zum Modul m kann durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt werden:

m = dg/z·cos α (3)

Die vorliegenden Erfinder haben folgendes herausgefunden. Die Stege sind z. B. durch den Grundkreis definiert, der als die Startpunkte verwendet wird, und sind gemäß Faktoren wie der Zahnzahl und dem Modul geformt und weiterhin gemessen und angeordnet gemäß Änderungen einer Scherspannung und einer vertikalen Spannung, und zwar in Abhängigkeit von dem Eingriffs winkel. Bei dieser Definition der Stege können die Spannungen, die sowohl in dem Bereich der Fußhöhe als auch in den Stegen erzeugt werden, minimiert werden und die tatsächliche Festigkeit des Kegelrades kann maximiert wer den. Auf der Grundlage der obigen Kenntnis haben die Erfinder weiterhin herausgefunden, daß es nicht wesentlich ist, die Stege so hoch auszubilden, daß sie den Kopfhöhenkreis abdecken. Statt dessen ist es hinreichend, die Stege auszubilden, die durch den Grundkreis definiert sind, und zwar unter Verwendung als Startpunkte, um den Versatz der Kopfhöhe zu verhindern bzw. zu vermeiden und die Spannungen im Bereich der Fußhöhe und an den Stegen zu vermindern.

Insbesondere werden die Stege einer Biegekraft entlang der Breite der Zähne und auch einer Komponente einer Kraft ausgesetzt, die in der Höhenrichtung der Zähne wirkt, welche Komponente bestimmt ist durch den Eingriffswinkel. Demgemäß, wenn die Abmessungen der Stege zunehmen, werden die in dem Bereich der Fußhöhe erzeugten Spannungen geringer. Weiterhin nehmen die in den Stegen erzeugten Spannungen ohne Frage ab, wenn die Breite und Höhe der Stege erhöht wird. Wenn die Breite der Stege jedoch zunimmt, nimmt die Breite der Zähne ab, die einer Biegespannung ausgesetzt sind. Weiterhin ist die Steifigkeit am radial äußeren Ende des Kegelrades gemäß der Zunahmen der Höhe und Breite der Stege erhöht und demgemäß muß die Oberfläche des Kegelrades, das mit einem kämmenden Kegelrad in Eingriff steht, einwärts versetzt werden. Wenn im Ergebnis die Breite und Höhe der Stege vorbestimmte Werte überschreitet, beginnt die im Bereich der Fußhöhe erzeugte Spannung zuzunehmen.

Da sowohl der Bereich der Fußhöhe als auch die Stege Kräften ausgesetzt sind, die in Höhenrichtung und in Richtung der Dicke der Zähne wirken, welche Kräfte durch den Eingriffswinkel bestimmt werden, ist es hinreichend, daß die Stege eine ausreichende Steifigkeit haben, um nur jene Komponente der obigen Kräfte zu tragen bzw. aufzunehmen, die den Stegen zugeordnet ist. Somit haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, daß es gewisse optimale Bereiche der Abmessungen der Stege gibt, um die Festigkeit des Kegelrades zu maximieren.

Deshalb sollten die Stege in einem kreisförmigen Bogen ausgebildet werden, der durch den Grundkreis, und zwar als Startpunkte, definiert ist, so daß die Abmessungen der Stege innerhalb der obigen optimalen Bereiche liegen können. Bei solchen Abmessungen können die Stege verkleinert werden. Der Bereich der Kopfhöhe am radial äußeren Ende des kämmenden Kegelrades ist teilweise aus- bzw. abgeschnitten, was hinreichend Störungen zwischen den zwei Kegelrädern verhindern kann, was die Notwendigkeit eliminiert, die Abmessungen und Konstruktion des Getriebegehäuses vollständig zu ver ändern. Da die Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe verbessert ist, können die Zähne davor geschützt werden, gegenüber dem Bereich der Fußhöhe gebogen zu werden, oder es kann mit anderen Worten das Übertragungs drehmoment erhöht werden.

Durch Experiment und Analyse der Festigkeit durch die vorliegenden Erfinder wurde bestätigt, daß gemäß dem mit Stegen versehenen Kegelrad die Höhe und Breite der Stege so zu definieren sind, daß sie die Gleichung (1) erfüllen, so daß die Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe maximiert werden kann. Es wird mit anderen Wort herkömmlicherweise angenommen, daß die Spannung im Bereich der Fußhöhe um so geringer ist, je größer die Höhe und Breite der Stege ist, und die mechanische Festigkeit des Kegelrades um so mehr erhöht ist. Gemäß dem Experiment der vorliegenden Erfinder wurde jedoch bestätigt, daß es gewisse Bereiche von Höhe und Breite der Stege gibt, um die Festig keit des Bereiches des Fußhöhe zu maximieren.

Gemäß dem mit Stegen versehenen Kegelrad der vorliegenden Erfindung wird eine Oberflächenbehandlung wie eine Karburierung und/oder Nitridierung in einem Zustand ausgeführt, bei welchem die Stege mit einem Oberflächenbe handlungshemmer überzogen sind, was die Stege davor schützt, gehärtet und/oder spröde zu werden. Im Ergebnis besteht bei der vorliegenden Erfin dung keine Gefahr des Verlustes von Stegen, wodurch die Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe aufrechterhalten und die Festigkeit als auch die Abnut zungsbeständigkeit der Zahnoberfläche erhöht wird.

Zusätzlich kann eine Biegespannung, welche in der Oberfläche des Bereiches der Fußhöhe erzeugt wird, durch ein besonders hartes Material abgestützt bzw. getragen werden.

Da die Stege nicht mit einer harten Schicht überzogen sind, kann ein Verlust der Stege vermieden werden, während die Festigkeit als auch die Abnut zungsbeständigkeit des Bereiches der Fußhöhe und der Zahnoberfläche durch die harte Schicht erhöht werden können. Bei den meisten Kegelrädern können die Form und Abmessungen der Zahnoberfläche im wesentlichen gleichförmig in Relation zu dem Modul bestimmt werden. Das Gleiche findet Anwendung auf die Hertz′sche Spannung. Daher wird die Dicke der harten Schicht defi niert durch ein gewisses Verhältnis der obigen zwei Faktoren.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht eines mit Stegen versehenen Kegelrades gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht des in Fig. 1 gezeigten Steges;

Fig. 3(A) und 3(B) sind Diagramme des Verhältnisses der Festigkeit über der dimensionslosen Höhe bzw. Breite des Steges;

Fig. 4 ist eine schematische Schnittansicht eines mit Stegen versehenen Kegelrades gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 5 ist eine schematische Schnittansicht eines mit Stegen versehenen Kegelrades gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ist eine schematische Schnittansicht eines mit Stegen versehenen Kegelrades gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 ist eine schematische Schnittansicht eines ersten Beispieles eines herkömmlichen mit Stegen versehenen Kegelrades, welches erhalten wird unter Ausbildung von Stegen an dem radial äußeren Ende des Kegelrades;

Fig. 8 ist eine schematische Schnittansicht eines zweiten Beispieles eines herkömmlichen mit Stegen versehenen Kegelrades, welches erhalten wird durch Ausbilden von Stegen an dem radial äußeren Ende des Kegelrades; und

Fig. 9 ist eine schematische Schnittansicht eines dritten Beispiels eines herkömmlichen mit Stegen versehenen Kegelrades, welches erhalten wird durch Ausbilden von Stegen, die die Kopfhöhe entlang dem Rücken des Kegels abdecken.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird ein bei dieser Ausführungsform generell mit 2 bezeichnetes Kegelrad z. B. durch ein Schmiedeverfahren geformt und umfaßt eine Nabe 4 und eine Vielzahl von Zähnen 6, welche am Außenum fang der Nabe 4 abgeschrägt bzw. konisch sind. Ein Loch bzw. eine Bohrung 8 zum Aufnehmen einer Welle oder dergleichen ist am Innenumfang der Nabe 4 ausgebildet.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die bestimmte Form und Abmessung des Kegelrades 2 begrenzt. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch folgende Bedingungen gegeben: Zahnzahl 16; Kegelstrecke 1 entlang der Erzeugungs linie P des Grundwälzkegels (nachstehend mit "Wälzkegel P" bezeichnet) ist 63,1 mm; Kegelwinkel R des Wälzkegels P ist 55°29′; Breite W des Zahns 6 entlang des Wälzkegels P ist 22,5 mm; Kegelwinkel R der Kopfhöhe des Zahns ist 62°59′; und Konuswinkel R des Grundes des Zahnes ist 44°46′.

Wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist am radial äußeren Ende des Kegel rades 2 ein Steg 12 bei der Fußhöhe des Zahns 10 zwischen zwei benach barten Zähnen unter Verbindung der Zähne 6 ausgebildet. Die Höhe h des Steges 12 ausgehend von der Fußhöhe bzw. dem Fuß 10 ist so spezifiziert, daß sie senkrecht auf der Erzeugungslinie b des Grundkegels steht (nach stehend mit "Grundkegel b" bezeichnet).

Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Oberseite des Steges 12 z. B. in einer gekrümmten konkaven Fläche geformt mit einem Radius R. Er ist so kon struiert, daß die Spannungskonzentration am Verbindungsabschnitt zwischen dem Steg 12 und den Zähnen 6 minimiert ist. Der Radius R ist zur Ausbildung eines Kegelbogens durch drei Punkte bestimmt, d. h. zwei Punkte des Grund kegels b, der die benachbarten Zähne schneidet, und ein Punkt der Höhe h des Steges ausgehend von der Fußhöhe, wobei der Radius R bei dieser Ausführungsform 5,4 mm beträgt.

Bei dem mit Stegen versehenen Kegelrad 2, welches in der obigen Form und mit den genannten Abmessungen ausgebildet ist, wurde die Höhe h des Steges 12 variiert, um den optimalen Wert zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in Fig. 3(A) gezeigt. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 (A) wurde die Höhe h des Steges in Relation zu dem Modul m des Kegelrades so bestimmt, daß sie dimensionslos wurde. Eine Veränderung des Verhältnisses der Festigkeit wurde in Relation zur dimensionslosen Höhe h/m geprüft. Das Verhältnis der Festigkeit eines Kegelrades, welches unter denselben Umständen geformt wurde wie das Kegelrad bei dieser Ausführungsform, welches jedoch nicht mit Stegen versehen war, wurde zu 1 gesetzt. Dann wurde das Verhältnis der Festigkeit des Kegelrades in Bezug auf die Höhe h bei dieser Ausführungsform bestimmt.

Wie es aus Fig. 3 (A) zu sehen ist, wurde herausgefunden, daß der Steg eine optimale Höhe h hat, so daß die Spannung im Bereich der Fußhöhe minimiert und das Verhältnis der Festigkeit maximiert werden kann. Somit ist verifiziert, daß der Bereich der dimensionslosen Höhe h/m die folgende Gleichung (1) erfüllen sollte, damit das Verhältnis der Festigkeit auf etwa 1,5 oder mehr eingestellt ist:

0,2 h/m 0,6 (1)

Die spezifische Höhe h des Steges 12 ist bei dieser Ausführungsform vor zugsweise etwa 3 mm.

Bei dem mit Stegen versehenen Kegelrad 2, welches mit der obigen Form und den oben genannten Abmessungen ausgebildet ist, wurde die Breite w des Steges 12 entlang dem Grundkegel b variiert, um den optimalen Wert zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in Fig. 3(B) gezeigt. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 (B) wurde die Breite w des Steges 12 in Relation zu der Breite W des Zahnes 6 entlang des Wälzkegels P bestimmt, so daß sie dimensionslos wurde. Eine Veränderung im Verhältnis der Festigkeit wurde in Relation zu der dimensionslosen Breite w/W geprüft. Das Verhältnis der Festigkeit eines unter denselben Zuständen geformten Kegelrades wie das Kegelrad dieser Ausfüh rungsform zu dem vorherigen Kegelrad, welches nicht mit Stegen versehen war, wurde zu 1 gesetzt. Dann wurde das Verhältnis der Festigkeit des Kegelrades mit der Breite w dieser Ausführungsform bestimmt.

Fig. 3(B) zeigt eine charakteristische Kurve, wenn die dimensionslose Höhe h/m 0,42 ist.

Wie es aus Fig. 3(B) zu sehen ist, ist verifiziert, daß der Steg eine optimale Breite w hat, so daß die Spannung in dem Bereich der Fußhöhe minimiert und das Verhältnis der Festigkeit maximiert werden kann. Es wurde somit bestä tigt, daß der Bereich der dimensionslosen Breite w/W die folgende Gleichung (2) erfüllen sollte, damit das Verhältnis der Festigkeit etwa 1,5 oder mehr beträgt, wenn die dimensionslose Höhe h/m 0,42 beträgt:

0,04 w/W 0,20 (2)

Es wurde mit anderen Worten herkömmlicherweise angenommen, daß die Spannung im Bereich der Fußhöhe um so geringer und die mechanische Festigkeit des Kegelrades um so mehr verbessert würden, je größer die Breite des Steges ist. Gemäß dem von den vorliegenden Erfindern ausgeführten Experiment wird jedoch verifiziert, daß es einen gewissen optimalen Bereich der Breite des Steges gibt, um die Spannung im Bereich der Fußhöhe zu minimieren. Es ist somit nicht notwendig, den Steg so breit auszubilden, daß es notwendig wäre, die Abmessungen des Kegelrades zu erhöhen, was auch Störungen mit einem anderen Kegelrad verursachen könnte, welches mit einem derartigen Kegelrad in Eingriff steht. Aufgrund dieser Tatsache kann das Kegelrad größenmäßig verkleinert werden. Die bestimmte Breite w des Steges 12 ist bei dieser Ausführungsform vorzugsweise etwa 2 mm.

Bei dieser Ausführungsform gibt das Vorsehen der Stege 12 Anlaß für eine Forderung, zu vermeiden, daß das Kegelrad ein kämmendes Kegelrad stört. Somit wird der Bereich der Kopfhöhe des kämmenden Kegelrades teilweise aus- bzw. abgeschnitten und die Zahnstützfläche wird leicht nach innen bewegt. Ein Verlust des Übertragungsdrehmomentes aufgrund der Bewegung der Zahnstützfläche ist in Fig. 3(B) gezeigt. Wie es aus Fig. 3(B) zu sehen ist, nimmt das Übertragungsdrehmoment nur um etwa 1,5% ab, welche Ab nahme hinreichend durch die Tatsache kompensiert werden kann, daß die Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe verbessert ist. Somit verschlechtert die Ausbildung der Stege im wesentlichen keine andere Funktion des Kegelrades.

Es gibt bei dieser Erfindung keine bestimmte Beschränkung auf eine spezi fische Form oder Abmessungen der für das Kegelrad vorgesehenen Stege. Es ist z. B. natürlich möglich, eine Rippe 14 mit einer Rundung lang wie der Radius R der Hohlkehlkurve der Fußhöhe auszubilden, um die Fußhöhe bzw. den Bereich der Fußhöhe und den Steg zu verbinden. Der kreisförmige Bogen mit einem Radius R, wie in Fig. 2 gezeigt, kann in einer anderen Form ausge bildet sein, um die Spannungskonzentration zu mindern bzw. lindern, und zwar z. B. in der Form einer Bogenfolge bzw. eines Bogenzuges. Die Breite w des Steges 12 kann durch die kleinstmöglich herzustellende Breite bestimmt sein, als auch gemäß Gleichung (2).

Weiterhin kann, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, die vorliegende Erfindung als ein Kegelrad modifiziert sein, welches generell mit der Bezugsziffer 2a versehen ist, und zwar derart, daß eine hintere Fläche 20 eines Steges 12a senkrecht zu dem Grundkegel b ausgebildet ist. Dieselben Bestandteile der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform wie jene, die in Fig. 1 gezeigt sind, sind mit gleichen Bezugsziffern versehen und deren Beschreibung wird hier nicht vorgenommen.

Nunmehr wird eine Ausführungsform beschrieben, die erhalten wird durch Oberflächenbehandlung des Kegelrades, welches mit den Stegen versehen ist, die in der oben beschriebenen Form ausgebildet sind.

Bei dem mit Stegen versehenen Kegelrad, welches generell mit der Bezugs ziffer 2b versehen ist, und zwar, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, werden die Höhe h und die Breite w eines Stegs 12b jeweils auf die optimalen Bereiche eingestellt, um die obigen Gleichungen (1) bzw. (2) zu erfüllen. Hierdurch wird die Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe verbessert. Das Kegelrad 2b wird durch ein Schmiedeverfahren ausgebildet, wobei das Basismaterial aus Stahl gebildet ist. Wenn der Stahl jedoch direkt karburisiert und gehärtet wird, werden einige Kegelräder, insbesondere mit Stegen versehene kleine Kegelrä der gehärtet und werden spröde und somit besteht die Möglichkeit, daß die Stege Schaden nehmen.

Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, wird vor dem Karburisieren/Härten als ein Beispiel einer Oberflächenbehandlung hinsichtlich des Verbesserns der Festig keit als auch der Abnutzungsfestigkeit der Zahnoberfläche und des Bereiches der Fußhöhe ein Oberflächebehandlungshemmer 21 auf den Steg 12b aufge bracht. Ein herkömmlich erhältliches B203 Anti-Karburisierungsmittel kann als ein Oberflächenbehandlungshemmer 21 verwendet werden. Darauffolgend wird in dem Zustand, bei welchem der Steg 12b mit dem Oberflächenbehand lungshemmer 21 überzogen ist, eine vorbestimmte Karburisierungsbehandlung bei einer Temperatur von etwa 930°C durchgeführt und die Temperatur wird dann auf etwa 850°C abgesenkt. Nachdem das Kegelrad für etwa 30 Minu ten so belassen wird, ist es gehärtet.

Wenn das Karburisieren/Härten gemäß dem oben beschriebenen Prozeß durchgeführt wird, entstehen Verbesserungen hinsichtlich der Festigkeit als auch der Abnutzungsbeständigkeit der Zahnoberfläche und des Bereiches der Fußhöhe und zur selben Zeit wird der Steg 12b aufgrund des Oberflächenbe handlungshemmers 21 davor geschützt, karburisiert zu werden, wodurch verhindert wird, daß der Steg 12b gehärtet wird und spröde wird, und somit ein Verlust des Stegs 12b vermieden wird.

Das mit Stegen versehene Kegelrad 2b, bei welchem verhindert ist, daß die Stege 12b oberflächenbehandelt werden, ist somit frei von Verlusten an Stegen 12b, womit das Kegelrad vollständig den verfolgten Zweck erfüllt, und zwar unter Beibehaltung der Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe und gleichzeitiger Verbesserung der Abnutzungsbeständigkeit.

Da der Steg 12b nicht in Kontakt mit einem kämmenden Kegelrad ist, ist es nicht erforderlich, eine so hohe Abnutzungsbeständigkeit zu haben, wie sie für die Zahnoberfläche gefordert ist. Statt dessen ist es hinreichend, daß der Steg 12b in der Lage ist, eine Teilkraft abzustützen bzw. aufzunehmen, die auf den Zahn wirkt. Obwohl bei dieser Ausführungsform verhindert wird, daß der Steg 12b karburisiert wird, wird die Festigkeit der Zahnoberfläche und des Bereiches der Fußhöhe nicht vermindert.

Wenn der Steg 12b so klein ist, daß er einer Beschränkung hinsichtlich der Herstellungsbedingungen ausgesetzt ist, wird die Kegelstrecke am radial äußeren Ende des Kegelrades verlängert bzw. erweitert und der Steg 12b wird anfangs dick ausgebildet. Hiernach ist es notwendig, das äußere Ende auf einer Drehbank zu drehen und zu polieren, so daß die Höhe h und die Breite w des Stegs 12b die obenstehenden Gleichungen (1) und (2) erfüllen können. In solch einem Fall wird auch verhindert, daß der Steg 12b karburi siert wird, und zwar aufgrund des Oberflächenbehandlungshemmers 21, wenn das Karburisieren/Härten an dem Kegelrad ausgeführt wird, womit die Gefahr von Verlusten an Stegen 12b eliminiert wird, wenn das äußere Ende auf der Drehbank gedreht und poliert wird. Hierdurch wird die Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe aufrechterhalten und auch die Abnutzungsbeständig keit verbessert.

Es ist anzumerken, daß die obigen Ausführungsformen zum Zwecke eines einfachen Verständnisses beschrieben sind und nicht die vorliegende Erfin dung beschränken sollen. Zum Beispiel kann die Oberflächenbehandlung, die an den Abschnitten des Kegelrades, nicht jedoch an den Stegen durchgeführt wird, eine Nitridierungsbehandlung, Flammspritzung als auch das obige Karburisieren/Härten einsetzen bzw. verwenden. Ein mit Stegen versehenes Kegelrad kann mit einer harten Schicht gemäß der oben angegebenen Nitridie rungsbehandlung oder Flammspritzung als auch durch das obige Karburisie ren/Härten überzogen bzw. beschichtet werden. Die vorliegende Erfindung ist auch anwendbar auf ein Kegelrad, bei welchem das Grundmaterial bzw. Körpermaterial und die harte Schicht aus anderen Materialien ausgebildet werden.

Wie es aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich wird, bietet die vor liegende Erfindung die folgenden Vorteile.

Die Stege können mit minimaler Größe ausgebildet werden, so daß das Kegelrad insgesamt größenmäßig reduziert und gewichtsmäßig erleichtert werden kann, wodurch insgesamt die mechanische Festigkeit des Kegelrades verbessert wird.

Das mit Stegen versehene Kegelrad kann einer Oberflächenbehandlung unter zogen werden, wie Karburisieren und/oder Nitridieren, und zwar mit Aus nahme der Stege, welche mit einem Oberflächenbehandlungshemmer be schichtet werden, wodurch ein Verlust der Stege vermieden wird und wo durch die Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe durch die Schaffung der Stege beibehalten und die Abnutzungsbeständigkeit erhöht werden kann.

Das mit Stegen versehene Kegelrad kann erhalten werden durch Überziehen der Fläche des Bereiches der Fußhöhe mit einer harten Schicht, welche aus einem besonders harten Material ausgebildet ist. In einem solchem Fall kann zusätzlich zu einer Verbesserung der Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe durch das Vorsehen der Stege die maximale Biegespannung, die in der Zahn oberfläche auftritt, und zwar auf der Grundlage des Übertragungsdrehmomen tes, durch das besonders harte Material getragen bzw. aufgenommen wer den. Im Ergebnis kann der Zahn mit einer hinreichenden Festigkeit ausgestat tet werden, um eine solche Biegebelastung bzw. Biegespannung aufzuneh men, wenn das die Biegespannung hervorrufende Übertragungsdrehmoment groß ist. Somit kann ein mit Stegen versehenes Kegelrad erhalten werden, welches leichtgewichtig ist und hohe Drehmomente übertragen kann.

Da die Stege nicht mit einer harten Schicht überzogen werden, ist es möglich, ein Kegelrad zu erhalten, bei welchem ein Verlust der Stege vermieden wird, so daß die Festigkeit des Bereiches der Fußhöhe beibehalten werden kann durch die Schaffung der Stege, während die Festigkeit als auch die Abnut zungsbeständigkeit der Zahnoberfläche und des Bereiches der Fußhöhe durch die harte Schicht verbessert ist.

Claims

1. Mit Stegen versehenes Kegelrad (2), dessen Stege (12) am radial äußeren Ende ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Ermitteln der Höhe (h) von jedem der Stege (12) ausgehend vom Fuß bzw. der Fußhöhe (10) in Relation zu dem Modul (m) des Rades (2) erhaltene Wert die folgende Gleichung (1) erfüllt: 0,2 h/m 0,6 (1)

2. Kegelrad gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Stege (12) mit einer konkav gekrümmten Oberfläche ausgebildet ist, die durch die Schnittpunkte des Grundkreises (b) mit den radial äuße ren Enden der jeweiligen zwei benachbarten Zähne (6) definiert ist.

3. Kegelrad gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die von der hinteren Kegellinie in Richtung parallel zur Erzeu gungslinie (P) eines Grundkegels gemessene Breite (w) von jedem der Stege (12) in Relation zur entlang der Erzeugungslinie eines Grundwälz kegels gemessenen Breite (W) des Rades (2) die folgende Gleichung (2) erfüllt: 0,04 w/W 0,20 (2)

4. Kegelrad, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, daß das Kegelrad einer Oberflächenbehandlung wie Karburisieren und/oder Nitridieren in einem Zustand unterzogen worden ist, bei welchem die Stege (12) mit einem Oberflächenbehand lungshemmer (21) überzogen sind.

5. Kegelrad gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Fläche des Fußes bzw. des Bereiches der Fußhöhe (10) mit einer harten Schicht überzogen bzw. versehen ist.