DE69821926T2

DE69821926T2 - Zahnkupplung mit stirnverzahnung

Info

Publication number: DE69821926T2
Application number: DE69821926T
Authority: DE
Inventors: Franciscus Augustinus BASSTEIN
Original assignee: NORMA BV
Current assignee: ASS AG, DUEDINGEN, CH
Priority date: 1997-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2018-04-15
Also published as: NL1005805C2; WO1998046898A1; EP0975881A1; DE69821926D1; JP2001521607A; EP0975881B1; US20010055992A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnkupplung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Derartige Zahnkupplungen sind unter anderem aus Patentschrift US-A-3.184.988 bekannt, in der 13 eine Zahnkupplung mit Kupplungshälften zeigt, wobei die Kupplungshälften mit einer Stirnverzahnung versehen sind, die unter Verwendung eines Wälzfräsers hergestellt wurde.
Ein Nachteil der bekannten Zahnkupplung besteht darin, dass die Zahnköpfe der Kupplungshälften am Innendurchmesser gegen die Flanken der Fußrundung drücken können und dadurch hohe Flächenpressungen und mögliche Schäden hervorrufen.
Gegenstand der Erfindung ist die Verbesserung dieser Situation, und zu diesem Zweck sind die Kupplungshälften gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gestaltet.
Aufgrund dessen kommt der Zahnkopf einer Kupplungshälfte nicht mit dem Zahnfuß der anderen Kupplungshälfte in Berührung, mit dem Ergebnis, dass der Eingriff zwischen den Kupplungshälften zwischen den genau bearbeiteten Zahnflanken erfolgt, und mit dem Ergebnis, dass die Fluchtung der Kupplungshälften von Fertigungsfehlern bei der Kopfhöhe und Abweichungen an der Fußrundung unabhängig ist.
Entsprechend einer weiteren Verbesserung ist die Zahnkupplung gemäß Anspruch 2 ausgeführt.
Aufgrund dessen wird der Krümmungsradius, mit dem die beiden Kupplungshälften gegeneinander drücken, vergrößert, wodurch die Tragfähigkeit erhöht wird.
In einer Ausführungsform der Zahnkupplung nach Anspruch 3 ist die Zahnkupplung gemäß Anspruch 4 gestaltet. Auf diese Weise wird die Geometrie auf einfache Weise geändert, und aufgrund dessen wird die Breitenkrümmung gleichzeitig an beiden Flanken in einfacher Weise ausgebildet.
In einer Ausführungsform der Zahnkupplung nach Anspruch 5 ist die Zahnkupplung gemäß Anspruch 6 aufgebaut. Dies macht es leicht, die Kupplungshälfte mit einem rotierenden Wälzfräser herzustellen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Methode zur Herstellung der Verzahnung an einer Kupplungshälfte einer Zahnkupplung durch Bearbeitung der Kupplungshälfte mit einem geeigneten Wälzfräser auf einer geeigneten Verzahnungsmaschine.
Eine derartige Methode ist aus US-A-3.184.988 bekannt, wobei der Wälzfräser hauptsächlich in der Zahnrichtung, die senkrecht zur Rotationsachse der Kupplungshälfte verläuft, an dem Werkstück entlang bewegt wird.
Erfindungsgemäß wird das Werkstück durch Bewegen des Wälzfräsers im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Kupplungshälfte bearbeitet. Aufgrund dessen kann die Bearbeitungszeit sehr kurz sein, da gleichzeitig eine negative Breitenkrümmung ausgebildet wird, die sich aus dem Radius des Wälzfräsers ergibt.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert, wobei:
1 einen Schnitt durch eine schaltbare Zahnkupplung zeigt,
2 eine Seitenansicht eines Stirnzahns einer Kupplungshälfte zeigt,
3 eine Reihe von Ansichten des Stirnzahns nach 2 zeigt,
4 eine schematische Draufsicht zweier Kupplungshälften zeigt, die sich in vollem Eingriff miteinander befinden,
5 den Schnitt V-V von 4 zeigt,
6 eine schematische Draufsicht zweier Kupplungshälften zeigt, die sich teilweise im Eingriff miteinander befinden,
7 den Schnitt VII-VII von 6 zeigt und
8 eine Seitenansicht eines Stirnzahns einer Kupplungshälfte zeigt, der eine negative Breitenkrümmung aufweist.
In den einzelnen Abbildungen sind entsprechende Teile, soweit möglich, stets mit denselben Bezugszahlen gekennzeichnet.
1 zeigt eine Ausführungsform einer schaltbaren Zahnkupplung. Eine erste Kupplungshälfte 3 ist auf einer ersten Welle 1 angeordnet, und eine zweite Kupplungshälfte 5 kann mittels eines Schaltrings 7, der an einem Körper 6 befestigt ist, der seinerseits an einer zweiten Welle 2 befestigt ist, in axialer Richtung verschoben werden. Die erste Kupplungshälfte 3 und die zweite Kupplungshälfte 5 sind mit je einer Kupplungsverzahnung 4 versehen, die miteinander kämmen und zu diesem Zweck eine identische Anzahl von Zähnen aufweisen.
Eine derartige Zahnkupplung, für die ein Beispiel hier dargestellt ist, wird im Allgemeinen mit einer Hirth-Verzahnung ausgeführt, wobei es mechanisch oder elektrisch schaltbare Kupplungen gibt sowie Kupplungen, bei denen die Kupplungshälften 3 und 5 mittels Bolzen gegeneinander gezogen oder unter Federdruck gegeneinander gepresst werden, sodass auch ein Schutz gegen Überlastung erreicht wird. In dem dargestellten Beispiel steht die Verzahnung 4 im rechten Winkel zur Rotationsachse der Zahnkupplung, aber es sind auch Konstruktionen bekannt, bei denen dieser Winkel vom rechten Winkel abweicht.
Derartige Kupplungen werden für die Kopplung der Rotation zweier Wellen und für die gegenseitige Zentrierung der beiden Wellen eingesetzt. Deshalb kommt es darauf an, dass die Verzahnung der Kupplungshälfte genau gefertigt wird und dass, wenn die Zähne voll miteinander kämmen, beide Flanken aller Zähne einer Kupplungshälfte mit beiden Flanken aller Zähne der anderen Kupplungshälfte in Eingriff stehen.
Um die oben genannten Anforderungen erfüllen zu können, wird die Verzahnung 4 erfindungsgemäß als Stirnverzahnung ausgelegt, das heißt als eine Verzahnung, die mit einem zylindrischen Evolventenritzel interagieren kann. Die Form dieser Verzahnung wird vollständig von der Geometrie des Ritzels definiert, von dem die Stirnverzahnung abgeleitet wird. Die Stirnverzahnung kann zum Beispiel mittels eines Wälzfräsverfahrens mit einem Wälzfräser gemäß EP-0,494,221, EP-0,559,798 oder EP-0,330,289 hergestellt werden. 2 zeigt eine Seitenansicht eines Stirnzahns, während 3 die Ansichten I–V desselben Zahns zeigt.
In 2 bezeichnet 9 den Innendurchmesser der Verzahnung und 8 bezeichnet den Außendurchmesser. Die wirksame Zahnflanke 12 (durch Kreuzschraffur gekennzeichnet) ist von der Form der Evolventenzahnflanke des Ritzels abhängig, von dem die Verzahnung abgeleitet wird, und in 2 bezeichnet 12 die gewöhnliche wirksame Zahnflanke bei Interaktion zwischen einem Ritzel und einem Stirnrad. Oben ist die wirksame Zahnflanke 12 durch einen Zahnkopf 10 begrenzt, und unten ist sie durch einen Übergang 11 von der Zahnflanke zu einer Fußrundung 24 begrenzt. Die Fußrundung 24 hat einen Zahnfuß 21, der in erster Linie vom Durchmesser des Ritzels, von dem die Verzahnung abgeleitet wird, und von der Form des verwendeten Werkzeugs definiert wird. 2 zeigt auch Oberflächenkonturlinien 15, die in einem konstanten Abstand zum Zahnfuß 21 verlaufen.
3 zeigt die Ansicht und Schnitte mit den Ebenen I–V des Zahns von 2, wobei der sich verändernde Neigungswinkel der Zahnflanke erkennbar ist; diese Abbildung zeigt, dass die Form eines Schnitts I–V der wirksamen Zahnflanke 12 eine im Wesentlichen gerade Linie ist. Eine Teilungsebene, die abstandsgleich zur Mitte eines Zahns und zur Mitte einer Zahnlücke liegt und die senkrecht zu einer Ebene durch die Zahnfüße 21 verläuft, schneidet die wirksame Zahnflanke 12 entlang einer Linie B. Die Position der Zahnflanke in Bezug auf die Teilungsebene kann mit der Dicke des Stirnzahns variieren; die Dicke des Stirnzahns wiederum hängt von der Geometrie des Ritzels, wie beispielsweise seiner Dimension W, ab. In Abhängigkeit von dieser Dimension W kann die Mitte von Zahn und Zahnlücke die wirksame Zahnflanke 12 entlang den Linien B, B' oder B'' schneiden, was berechnet werden kann.
In 2 und 3 ist die Schnittlinie zwischen Zahnflanke 12 und der Teilungsebene durch die Linie B angegeben, und eine Zentralebene 13 parallel zu einer Ebene durch die Zahnfüße 21 ist dargestellt, wobei die Zentralebene 13 den höchsten Punkt auf Linie B tangiert. In diesem Fall ist a der Abstand zwischen der Zentralebene 13 und einem angepassten Zahnkopf 14, welcher durch gestrichelte Linien dargestellt und so angepasst ist, dass dieser Abstand a kleiner ist als der Abstand b von der Zentralebene 13 zum Übergang 11 von der wirksamen Zahnflanke 12 zur Fußrundung 24. Am Ort der Querschnitte I, II und III sind a und b mit aI, bI; aII, bII beziehungsweise aIII, bIII bezeichnet. Auf Grund des angepassten Zahnkopfes 14 kommt der Zahnkopf 10 oder 14, wenn sich die beiden Kupplungshälften in vollem Eingriff miteinander befinden, niemals mit der Fußrundung 24 in Berührung, sodass Fluchtungsfehler und zu hohe Pressungen ausgeschlossen sind.
4 zeigt eine Draufsicht der Umrisse der wirksamen Zahnflankenteile 16 zusammen mit den Oberflächenkonturlinien 18 der ersten Kupplungshälfte 3 sowie die Umrisse der wirksamen Zahnflankenteile 17 zusammen mit Oberflächenkonturlinien 19 der zweiten Kupplungshälfte 5. Diese Umrisse werden von dem Zahnkopf 10 und teilweise Zahnkopf 14, der Fußrundung 11 und dem Außendurchmesser 8 begrenzt. Die beiden Kupplungshälften greifen so ineinander, dass beide wirksamen Zahnflankenteile 16 der ersten Kupplungshälfte 3 mit beiden wirksamen Flankenteilen 17 der zweiten Kupplungshälfte 5 in Berührung sind. Beide Zahnflanken 16 und 17 sind zum Beispiel in einem Kontaktbereich 20 miteinander in Berührung, und anhand der Oberflächenkonturlinien 18 und 19 wird dargestellt, dass die Oberflächen mit einem großen Krümmungsradius leicht gerundet sind und über die ganze Höhe miteinander in Berührung stehen. Aufgrund dieses großen Krümmungsradius' herrscht immer eine niedrige Flächenpressung, auch wenn die Kupplungshälften etwas gegeneinander gedreht werden, zum Beispiel wenn sie nicht voll miteinander im Eingriff sind. 5 zeigt einen Querschnitt der Eingriffsituation gemäß 4.
Die in 6 gezeigte Draufsicht entspricht der Draufsicht gemäß 4, außer dass die Kupplungshälften 3 und 5 nicht voll miteinander in Eingriff sind, wie in dem Querschnitt in 7 gezeigt. Der Kontaktbereich 20 ist eindeutig weniger hoch. Am Verlauf der Oberflächenkonturlinien 18 und 19 ist auch zu erkennen, dass in dieser Situation eine gerundete Zahnflanke immer noch auf einer gerundeten Zahnflanke liegt, wodurch die Wälzpressung so niedrig wie möglich bleibt.
Die Wälzpressung kann durch die Wahl der Geometrie der Ritzel, von denen die Stirnverzahnung abgeleitet wird, zum Beispiel durch Wahl verschiedener Zähnezahlen der zu den verschiedenen Stirnrädern gehörenden Ritzel, und durch optimale Wahl der Zahnprofil-Versetzung, der Zähnezahl der Ritzel und der Zähnezahl der Stirnräder, weiter verringert werden. Aufgrund dessen kann der resultierende Krümmungsradius, der nach der Hertzschen Theorie die Summe der Krümmungsradien beider wirksamer Zahnflankenteile 12 ist, möglichst groß gewählt werden, sodass die auftretende Flächenpressung (Hertzsche Pressung) möglichst klein ist. Auf diese Weise kann auch die Lage des Kontaktbereichs 20 optimiert werden.
Durch Ausführung der Verzahnung einer oder beider Kupplungshälften 3 und 5 mit einer negativen Breitenkrümmung kann der Krümmungsradius und damit die Tragfähigkeit noch weiter erhöht werden. 8 zeigt eine Kupplungshälfte 22, bei der schematisch dargestellt ist, wie die Form des Zahnfußes 21 so angepasst werden kann, dass an beiden Zahnflanken eines Zahns eine negative Breitenkrümmung entsteht. In diesem Fall wird der Zahnfuß 21 so angepasst, dass er einen unterschnittenen Zahnfuß 23 bildet, und die Zahnflanke 12 wird entsprechend angepasst. Wird die Kupplungshälfte mittels eines Wälzfräsers mit einem Radius R gefertigt, entsteht dieser unterschnittene Zahnfuß 23, wenn der Wälzfräser senkrecht zur Verzahnung in das Werkstück hinein bewegt wird, ein Verfahren, das sehr kurze Bearbeitungszeiten ermöglicht. Zudem kann diese Bearbeitung auf einer allgemein erhältlichen Universal-Verzahnungsmaschine erfolgen, da die Bewegungen des Wälzfräsers den Bewegungen entsprechen, die beim Bearbeiten zylindrischer Zahnräder angewendet werden.
Die Breitenkrümmung, die aufgrund der oben beschriebenen Methode entsteht, kann so stark negativ sein, dass im Ergebnis sogar konkave Zahnflanken entstehen. Dies kann durch die richtige Wahl der Geometrie der Ritzel und der Zahl der Zähne der Stirnverzahnung verhindert werden.
Die Kupplungshälften können durch spanende Bearbeitung mittels eines Wälzfräsers, wie weiter oben beschrieben, gefertigt werden, aber es ist auch möglich, die Kupplungsverzahnung mit spanlosen Verfahren wie zum Beispiel Schmieden oder Kunststoff-Spritzgießen oder mittels Pulvermetallurgie, wobei Metall in Pulverform in einem Formwerkzeug komprimiert wird, herzustellen. Die Formwerkzeuge, die für dieses Verfahren verwendet werden können, werden mit Werkzeugen gefertigt, die in der oben beschriebenen Weise bearbeitet wurden. Durch spanendes Bearbeiten in der oben beschriebenen Weise ist es auch möglich, eine Elektrode herzustellen, mit der die gewünschte Form in den Formwerkzeugen mittels Funkenerosion erzeugt werden kann.

Claims

Zahnkupplung zum Koppeln der Rotation zweier Wellen (1, 2) mit einer gemeinsamen ersten Rotationsachse, wobei die Zahnkupplung zwei Kupplungshälften (3, 5) umfasst und jede Kupplungshälfte eine Verzahnung aufweist, die der Verzahnung der anderen Kupplungshälfte gegenübersteht und mit ihr ineinander greifen kann und wobei die Verzahnungen der Kupplungshälften Stirnverzahnungen sind und von einem zylindrischen Ritzel mit Evolventenverzahnung, das um eine zweite Rotationsachse senkrecht zur ersten Rotationsachse drehbar ist, bestimmt werden, wobei jeder Zahn der Verzahnung einer Kupplungshälfte einen Zahnkopf (10, 14) und eine Fußrundung (24) und an jeder Seite einen wirksamen Zahnflankenteil (12, 16, 17) aufweist, der vom Zahnkopf und einer Übergangslinie (11) zur Fußrundung begrenzt wird, wobei jede Zahnflanke eine Teilungsebene aufweist, die an jedem Radius, von der ersten Rotationsachse der Verzahnung aus gemessen, gleiche Abstände zur Mitte des Zahns und zur Mitte einer benachbarten Zahnlücke hat und parallel zur ersten Rotationsachse verläuft und den wirksamen Zahnflankenteil entlang einer Schnittlinie (B) schneidet, und wobei die Verzahnung jeder Kupplungshälfte eine zentrale Ebene (13) hat, die senkrecht zur ersten Rotationsachse verläuft und die Schnittlinien der Zähne tangiert, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Radius der Zahnkopf (10, 14) jedes Zahns so geformt ist, dass ein erster Abstand (a_I, a_II, a_III, ...) in einer Richtung parallel zur ersten Rotationsachse vom Zahnkopf zur zentralen Ebene kleiner ist als ein zweiter Abstand (b_I, b_II, b_III, ...) in einer Richtung parallel zur ersten Rotationsachse zwischen der zentralen Ebene (13) und der Übergangslinie (11) zur Fußrundung (24) an diesem Radius.
Zahnkupplung nach Anspruch 1, wobei die Verzahnung (4) von zumindest einer Kupplungshälfte (3, 5) mit einer negativen Breitenkrümmung versehen ist, so dass der Krümmungsradius der Schnittlinie (B) gegenüber der ähnlichen Schnittlinie der vom zylindrischen Ritzel bestimmten wirksamen Zahnflanke vergrößert wird.
Zahnkupplung nach Anspruch 1, wobei die Geometrie der zylindrischen Ritzel, von denen die Stirnverzahnungen der Kupplungshälften abgeleitet werden, verschieden ist.
Zahnkupplung nach Anspruch 3, wobei die zylindrischen Ritzel, die jeweils die Verzahnung einer Kupplungshälfte bestimmen, eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweisen.
Zahnkupplung nach Anspruch 1, wobei für die Verzahnung von zumindest einer Kupplungshälfte der Abstand von der zentralen Ebene (13) zur Mitte der Fußrundung zwischen den Enden eines Zahns größer ist als der ähnliche Abstand an zumindest einem von beiden Enden des Zahns.
Zahnkupplung nach Anspruch 5, wobei die Verzahnung von zumindest einer Kupplungshälfte einen unterschnittenen Zahnfuß aufweist, dessen Mitte eine Krümmung hat, die einem Radius entspricht.
Methode zur Herstellung der Stirnverzahnung für eine Kupplungshälfte (3, 5) einer Zahnkupplung durch Bearbeitung der Kupplungshälfte mit einem geeigneten Wälzfräser in einer Verzahnungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzfräser bei der Bearbeitung hauptsächlich parallel zur Rotationsachse der Kupplungshälfte bewegt wird.