DE9405495U1 - Helical gear - Google Patents
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Description
Stephan-Werke GmbH & Co. Anwaltsakte Stephan-Werke GmbH & Co. Attorney file
Ohsener Stiraße 79/83 275-22, DE-2Ohsener Stirasse 79/83 275-22, DE-2
31789 HarneIn Datum 31789 HarneIn Date
5. April 19945 April 1994
Die Erfindung betrifft ein spielfreies Stirnradgetriebe mit in zumindest einer Stufe konisch ausgebildeten Stirnrädern und einer axial verstellbaren Zwischenwelle.The invention relates to a backlash-free spur gear with spur gears that are conical in at least one stage and an axially adjustable intermediate shaft.
Bei dieser durch offenkundige Vorbenutzung bekannt gewordenen Konstruktion werden für die Zwischenwelle unterschiedliche Lageranordnungen gewählt. Allen gemeinsam ist jedoch eine starre Einstellung der optimalen Axialposition z. B. mit Hilfe von Paßscheiben.In this design, which has become known through obvious prior use, different bearing arrangements are selected for the intermediate shaft. However, they all have in common a rigid adjustment of the optimal axial position, e.g. with the help of shims.
Nachteilig bei diesem vorbekannten Konzept ist, daß sich nur die Anteile des Verdrehflankenspieles reduzieren lassen, die aus Achsabstandstoleranzen und Zahnweitentoleranzen entstehen. Hingegen läßt sich nicht ein sich bei Raddrehung kontinuierlich änderndes Restspiel aufgrund von Rundlauffehlem eliminieren. The disadvantage of this previously known concept is that only the parts of the torsional flank clearance that arise from center distance tolerances and tooth width tolerances can be reduced. On the other hand, a residual clearance that changes continuously as the wheel rotates due to concentricity errors cannot be eliminated.
Die GB 2 244 538 A offenbart ein durch eine Räderkette gebildetes Stirnradgetriebe, bei dem zwischen zwei Zahnrädern ein Zwischenrad angeordnet ist. Die Stirnräder sind jeweils konisch ausgebildet. Das konische Zwischenrad läuft auf einer Bundbuchse, die auf einer feststehenden Achse axial verschieblieh gelagert ist und mit ihrer Schulter an einer zweiten, ebenfalls axial verschieblich auf der genannten Achse gelagerten Bundbuchse anliegt, die in Richtung der KonusVerjüngungGB 2 244 538 A discloses a spur gear formed by a gear chain, in which an intermediate gear is arranged between two gears. The spur gears are each conical. The conical intermediate gear runs on a collar bushing, which is mounted axially displaceably on a fixed axle and rests with its shoulder on a second collar bushing, which is also mounted axially displaceably on the said axle and which extends in the direction of the cone taper.
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des Zwischenrades von Federscheiben permanent beaufschlacft ist, die sich am Getriebegehäuse abstützen. Das Zwischenrad wird somit permanent zwischen die beiden Stirnräder der Räderkette gedrückt. Diese federelastische Kraft ist durch Austausch der Federn oder aber mit Hilfe einer Justierdruck-schraube veränderbar. Zum Ausgleich eines ggf. unterschiedlichen Verschleißes der beiden Stirnräde;r kann zusätzlich vorgesehen werden, eines der beiden Stirnräder mit einer axial wirkenden Federkraft zu beaufschlagen,, um es in den Zahneingriff mit dem Zwischenrad zu drücken. Diese Federkraft muß dann aber geringer ausgelegt sein als die das Zwischenrad beaufschlagende Federkraft. Der Konuswinkel soll bei etwa 15° liegen.the intermediate gear is permanently loaded by spring disks that are supported on the gear housing. The intermediate gear is thus permanently pressed between the two spur gears of the gear chain. This spring-elastic force can be changed by exchanging the springs or using an adjusting pressure screw. To compensate for any different wear on the two spur gears, it can also be provided that one of the two spur gears is subjected to an axially acting spring force in order to press it into mesh with the intermediate gear. This spring force must then be designed to be lower than the spring force acting on the intermediate gear. The cone angle should be around 15°.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform weist zahlreiche Nachteile auf:The embodiment described above has numerous disadvantages:
Für jeden Zahneingriff setzt sich das Verdrehflankenspiel aus vier Anteilen zusammen und zwar aus der Achsabstandstoleranz, den Zahnweitenabmaßen, der Zahndickenschwankung bzw. dem Rundlauffehler der Räder sowie aus den Rundlauf-ZRundheitabweichungen von Achse/Welle und Lagerung. Bei nicht exakter Fertigung oder Paarung sind alle Spielanteile für jeden Zahneingriff unterschiedlich. Deshalb kann sich das Zwischenrad bei der vorstehend beschriebenen Aus führungs form axial nur bis zur Spielfreiheit eines Zahneingriffes verschieben; eine Spielfreiheit der Räderkette insgesamt läßt sich somit nicht erreichen. Da das Zwischenrad keinen Einfluß auf die Übersetzung hat, und es für das Gesamtverdrehflankenspiel unerheblich ist, ob im ersten oder im zweiten Zahneingriff ein Spielanteil unkompensiert bleibt, ist dieses Konzept für Getriebe mit großer Übersetzung ungeeignet. Der zusätzliche Zahneingriff und die Lagerung erhöhen die Reibmomente, die insbesondere für spielarme Getriebe unerwünscht sind.For each tooth mesh, the backlash is made up of four components: the center distance tolerance, the tooth width dimensions, the tooth thickness fluctuation or the concentricity error of the wheels, and the concentricity-Z-roundness deviations of the axle/shaft and bearing. If the manufacturing or pairing is not precise, all the backlash components are different for each tooth mesh. Therefore, in the design described above, the intermediate gear can only move axially up to the point where one tooth mesh is free of backlash; it is therefore not possible to achieve backlash-free gears for the entire tooth chain. Since the intermediate gear has no influence on the gear ratio, and it is irrelevant for the overall backlash whether a part of the backlash remains uncompensated in the first or second tooth mesh, this concept is unsuitable for gears with a large gear ratio. The additional tooth mesh and the bearing increase the friction torque, which is particularly undesirable for low-backlash gears.
Der in der Vorveröffentlichung genannte Konuswinkel von 15° ist ungeeignet für Zahnräder zur Verwendung in Leisungsgetrie-The cone angle of 15° mentioned in the previous publication is unsuitable for gears for use in power transmissions.
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ben mit großer Stufenübersetzung, da durch einen großen Konuswinkel die Radbreite stark begrenzt wird. Außerdem sind Ritzel mit geringen Zähnezahlen aus geometrischen Gründen nicht herstellbar. Die aus dem Konuswinkel der Zahnräder resultierende Axialkraft bewirkt unter Last eine axiale Verschiebung des Zwischenrades. Hierdurch werden Positioniergenauigkeit und Steifigkeit des Antriebes nachteilig beeinflußt.with a large step ratio, since a large cone angle greatly limits the wheel width. In addition, pinions with a small number of teeth cannot be manufactured for geometric reasons. The axial force resulting from the cone angle of the gears causes an axial displacement of the intermediate gear under load. This has a negative impact on the positioning accuracy and rigidity of the drive.
Für spielarme Antriebe wird in der Regel eine hohe Verdrehsteifigkeit gefordert. Diese Forderung ist mit dem vorstehend beschriebenen vorbekannten Konzept nicht realisierbar aufgrund der schmalen Räder, des zusätzlichen Zahneingriffs und der weichen Zwischenradlagerung.For low-backlash drives, a high torsional rigidity is generally required. This requirement cannot be met with the previously known concept described above due to the narrow wheels, the additional tooth engagement and the soft intermediate wheel bearing.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Stirnradgetriebe konstruktiv und wirkungsmäßig zu verbessern,The invention is based on the task of improving the spur gear described at the beginning in terms of design and effectiveness,
Diese Aufgabe wird gemäß der Erf induncf dadurch gelöst, daß die
genannte Zwischenwelle in Lagern ohne axiale Führung gelagert und axial in Richtung der Konusverjüngung des auf der Zwischenwelle
sitzenden Stirnrades von einer justierbaren, permanent wirkenden federelastischen Kraft beaufschlagt ist, die
vorzugsweise justierbar ist.
25This object is achieved according to the invention in that the intermediate shaft is mounted in bearings without axial guidance and is axially acted upon in the direction of the conical taper of the spur gear seated on the intermediate shaft by an adjustable, permanently acting spring-elastic force, which is preferably adjustable.
25
Als Lager können dabei Zylinderrollenlager, Nadellager oder Gleitlager Verwendung finden.Cylindrical roller bearings, needle bearings or plain bearings can be used as bearings.
Aufgrund der während des Betriebes permanent auf die Zwischenwelle einwirkenden Axicilschubkraft führen die unvermeidbaren Fertigungsfehler wie &zgr;.. B. Rundlauf fehler der Verzahnungen, der Lager oder aber Zahndickenschwankungen und dergleichen zu einer selbsttätig wirkenden axialen Einstellung der Zwischenwelle . Die Zahnräder dieser Stufe sind somit stets spielfrei im Eingriff.Due to the axial thrust force that is constantly acting on the intermediate shaft during operation, the unavoidable manufacturing errors such as runout errors of the gears, bearings or tooth thickness fluctuations and the like lead to an automatic axial adjustment of the intermediate shaft. The gears in this stage are therefore always in engagement without play.
Ergeben sich, aufgrund der für die Stirnräder gewählten Konuswinkel verhältnismäßig große, die Zwischenwelle beaufschlagende Axialkräfte, ist es vorteilhaft, wenn die federelastische Kraft auf ein Axiallager der Zwischenwelle wirkt. In konstruktiv einfacher Weise kann diese federelastische Kraft die Vorspannung einer am Axiallager anliegenden Tellerfeder sein.If the cone angle selected for the spur gears results in relatively large axial forces acting on the intermediate shaft, it is advantageous if the spring-elastic force acts on an axial bearing of the intermediate shaft. In a structurally simple way, this spring-elastic force can be the preload of a disc spring resting on the axial bearing.
Bei geeigneten Konuswinkel und kleinen Axialkräften kann hingegen das Axiallager entfallen. In diesem Fall ist es zweckmä-Mg, wenn die federelastische Kraft auf die Zwischenwelle über eine Druckkugel aufgebracht wird, die sich in einer zentrischen Wellenbohrung abstützt. Um jedoch eine zentrische, angenähert punktförmige Druckübertragung bei minimierter Reibung zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn sich die Druckkugel auf einer konkav ausgebildeten Oberfläche einer in eine zentrische Bohrung der Zwischenwelle eingelegten Unterlegscheibe abstützt. Dabei wird die Querschnittskontur der konkaven Oberfläche durch ein Kreissegment gebildet.However, with suitable cone angles and small axial forces, the axial bearing can be omitted. In this case, it is expedient if the spring-elastic force is applied to the intermediate shaft via a pressure ball that is supported in a central shaft bore. However, in order to achieve a central, almost point-like pressure transfer with minimized friction, it is advantageous if the pressure ball is supported on a concave surface of a washer inserted into a central bore in the intermediate shaft. The cross-sectional contour of the concave surface is formed by a circular segment.
Wird auf die Anordnung eines Axiallagers verzichtet, kann die die Zwischenwelle beaufschlagende federelastische Kraft die Vorspannung einer Schraubenfeder sein, die vorzugsweise weich ausgelegt ist. Insbesondere bei diesea: weichen Federauslegung ist es vorteilhaft, wenn die Axialverschiebung der Zwischenwelle gegen die Wirkung der federelastischen Kraft durch einen Anschlag begrenzt"wird, der zweckmäßig durch das freie Schaftende der Stellschraube gebildet ist.If an axial bearing is not used, the spring-elastic force acting on the intermediate shaft can be the preload of a helical spring , which is preferably designed to be soft. In particular with this soft spring design, it is advantageous if the axial displacement of the intermediate shaft is limited against the effect of the spring-elastic force by a stop, which is conveniently formed by the free shaft end of the adjusting screw.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Herstellung spielarmer bzw. spielfreier hochübersetzender Getriebe. Das erfindungsgemäße Konzept zur Erzielung eines nur sehr kleinen Verdrehflankenspiels kommt mit wenigen Einzelteilen aus. Eine hohe Lagegenauigkeit der in der Gehäusebaugruppe zu bearbeitenden Lagerbohrungen ist gewährleistet. Vorteilhaft ist ferner, daß die Stirnradstufe in jeder Radstellung spielfrei ist. Montage und Spieleinstellung sind besonders einfach. Erzielt werden eine hohe Getriebesteifigkeit sowie eine nahezu lineareThe solution according to the invention enables the production of low-backlash or backlash-free high-ratio gears. The inventive concept for achieving only a very small torsional flank clearance requires only a few individual parts. A high positional accuracy of the bearing bores to be machined in the housing assembly is guaranteed. Another advantage is that the spur gear stage is free of backlash in every wheel position. Assembly and backlash adjustment are particularly simple. A high level of gear rigidity and an almost linear
Hysteresekurve mit geringen Reibverlusten. Die erfindungsgemäße Konstruktion erweist sich überdies als besonders kostengünstig. Hysteresis curve with low friction losses. The design according to the invention also proves to be particularly cost-effective.
Durch die Wahl eines kleinen Konuswinkels von z.B. 2 bis 3° wird die Steifigkeit des Antriebes erhöht. Insbesondere im Stillstand und bei kleinen Drehzahlen findet auch unter großer Last keine Axialbewegurig der Zwischenwelle statt. Bei größeren Drehzahlen kann hingegen eine durch Rundlauffehler bedingte Axialbewegung der Zwischenwelle stattfinden; ein Klemmen der Zahnräder mit den damit verbundenen hohen Reibmomenten wird vermieden. Durch Verwendung von Ge;radstirnräder oder von Schrägstirnräder mit geeigneten Schräcjungswinkeln für die einzelnen Getriebestufen ist das erfindungsgemäße System weitgehend axialkraftfrei. Dadurch wird eine drehrichtungsabhängige Verlagerung der Zwischenwelle verhindert. Die erfindungsgemäße Konstruktion führt durch den Einsatz nur weniger, außerordentlich preiswerter Normteile und ohne jeden Mehraufwand bei der Getriebegehäusefertigung zu spielfreien Getriebestufen, die auch in Standardindustriebetrieben verwendbar sind.By choosing a small cone angle of e.g. 2 to 3°, the rigidity of the drive is increased. In particular, when stationary and at low speeds, even under high loads, there is no axial movement of the intermediate shaft. At higher speeds, however, axial movement of the intermediate shaft can occur due to concentricity errors; jamming of the gears with the associated high friction torques is avoided. By using straight spur gears or helical gears with suitable helix angles for the individual gear stages, the system according to the invention is largely free of axial forces. This prevents displacement of the intermediate shaft depending on the direction of rotation. The design according to the invention leads to backlash-free gear stages that can also be used in standard industrial operations by using only a few, extremely inexpensive standard parts and without any additional effort in gear housing production.
Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden in Verbindung mit weiteren Vorteilen der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. 25Further features of the invention are the subject of the subclaims and are explained in more detail in conjunction with further advantages of the invention using exemplary embodiments. 25
In der Zeichnung sind drei als Beispiele dienende Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Es zeigen:The drawing shows three exemplary embodiments of the invention. They show:
Figur 1 - im Ausschnitt einen Querschnitt durch ein Stirnradgetriebe; Figure 1 - a cross-section through a spur gear;
Figur 2 — ein Detail der Figur 1 in einer abgewandelten Ausfuhrungsform und Figure 2 - a detail of Figure 1 in a modified embodiment and
Figur 3 - eine ferner abgewandelte Ausführungsform in einer Darstellung gemäß Figur 2. Figure 3 - a further modified embodiment in a representation according to Figure 2.
Figur 1 zeigt ein zweistufiges Stirnradgetriebe mit großer Stufenübersetzung. Die durch die Stirnräder 1,2 gebildete Eingangsstufe
ist konventionell ausgebildet und weist eine sehr große Übersetzung auf.
5Figure 1 shows a two-stage spur gear with a large step ratio. The input stage formed by the spur gears 1,2 is conventionally designed and has a very large step ratio.
5
Die Abtriebsstufe wird gebildet durch konisch ausgebildete Stirnräder 3,4 mit großer Stufenübersetzung. Das Stirnrad 3 sitzt auf einer axial verstellbaren Zwischenwelle 5, die in Zylinderrollenlagern 6,7 ohne axiale Führung gelagert ist. DieThe output stage is formed by conical spur gears 3,4 with a large step ratio. The spur gear 3 sits on an axially adjustable intermediate shaft 5, which is mounted in cylindrical roller bearings 6,7 without axial guidance. The
LO Zwischenwelle 5 ist ferner mit einem Axiallager 8 bestückt, das von einer Tellerfeder 9 beaufschlagt wird, deren Vorspannung über eine Stellschraube 10 einstellbar ist, die in einem Lagerdeckel 11 geführt ist. Die Tellerfeder 9 übt auf die Zwischenwelle 5 in Richtung der KonusVerjüngung des Stirnrades 3LO intermediate shaft 5 is also fitted with an axial bearing 8, which is acted upon by a disc spring 9, the preload of which can be adjusted via an adjusting screw 10, which is guided in a bearing cover 11. The disc spring 9 exerts pressure on the intermediate shaft 5 in the direction of the cone taper of the spur gear 3
L5 axial permanent eine federelastische Kraft aus, die eine Axialverschiebung der Zwischenwelle 5 bewirkt, bis sich die Zahnflanken der Stirnräder 3,4 spielfrei berühren. Dabei findet eine axiale Relativverschiebung der Lagerinnenringe 6a,7a gegenüber den Lageraußenringen 6b,7b statt.L5 axially permanently exerts a spring-elastic force, which causes an axial displacement of the intermediate shaft 5 until the tooth flanks of the spur gears 3,4 touch without play. In this case, an axial relative displacement of the bearing inner rings 6a,7a relative to the bearing outer rings 6b,7b takes place.
Die Verzahnungen der Stirnräder 3,4 werden entweder als Geradverzahnungen ausgeführt oder mit so aufeinander abgestimmten Schrägungswinkeln versehen, daß sich unter Last auftretende Axialkräfte kompensieren. Eine aus der konischen Verzahnung resultierende Axialkraftkomponente wirkt drehrichtungsunabhängig entgegen der von der Tellerfeder 9 ausgeübten Axialkraft.The teeth of the spur gears 3, 4 are either designed as straight teeth or provided with helix angles that are coordinated with one another so that axial forces occurring under load are compensated. An axial force component resulting from the conical teeth acts independently of the direction of rotation against the axial force exerted by the disc spring 9.
Soll das Getriebe eine möglichst hohe Verdrehsteifigkeit aufweisen, kann die Steifigkeit der Tellerfeder 9 so bemessem werden, daß unter Last keine nennenswerte Axialbewegung der Zwischenwelle 5 stattfindet.If the transmission is to have the highest possible torsional rigidity, the rigidity of the disc spring 9 can be dimensioned such that no significant axial movement of the intermediate shaft 5 occurs under load.
Beim Betrieb des Getriebes führen die unvermeidbaren Fertigungsfehler (Rundlauffehler der Verzahnungen, der Lager, Zahndickenschwankungen etc.) zu einer selbsttätig wirkenden axialen Einstellung der Zwischenwelle 5. Die Zahnräder 3,4 sind somit stets spielfrei im Eingriff.When the gearbox is in operation, the unavoidable manufacturing errors (runout errors of the gears, bearings, tooth thickness fluctuations, etc.) lead to an automatic axial adjustment of the intermediate shaft 5. The gears 3, 4 are therefore always in mesh without play.
Das dargestellte Getriebe ist nur in der Abtriebsstufe mit dem erfindungscjemäßen fehlerausgleichenden System versehen. Bedingt durch die vorstehend beschriebenen Fertigungsfehler verbleibt in der Eingangsstufe (Stirnräder 1,2) ein geringes Zahnspiel, das aufgrund der großen. Gesamtübersetzung jedoch nur ein auf die Abtriebswelle bezogenes Gesamtspiel von ca. 0,1 bis 0,2 arcmin. bewirkt.The gearbox shown is only provided with the error-compensating system according to the invention in the output stage. Due to the manufacturing errors described above, a small amount of tooth play remains in the input stage (spur gears 1, 2), which, however, only results in a total play of approx. 0.1 to 0.2 arcmin. related to the output shaft due to the large overall transmission ratio.
Bei geeigneten Konuswinkeln der die Abtriebsstufe bildenden Stirnräder 3,4 und kleinen Axialkräftejn kann das Axiallacjer 8 entfallen. Hierfür zeigt Figur 2 eine Lösung: Die die Zwischenwelle 5 in Axialrichtung beaufschlagende federelastische Kraft wird hier durch die Vorspannung einer Schraubenfeder 12 aufgebracht, die eine vorzugsweise; aus gehärtetem Stahl bestehende Druckkugel 13 beaufschlagt, die sich in einer zentarischen Wellenbohrung 14 abstützt. Auch hier ist die Vorspannung der Schraubemfeder 12 durch eine Stellschraube 10 einsteilbar.With suitable cone angles of the spur gears 3, 4 forming the output stage and small axial forces, the axial bearing 8 can be omitted. Figure 2 shows a solution for this: The spring-elastic force acting on the intermediate shaft 5 in the axial direction is applied here by the preload of a helical spring 12, which acts on a pressure ball 13, preferably made of hardened steel, which is supported in a central shaft bore 14. Here too, the preload of the helical spring 12 can be adjusted by an adjusting screw 10.
Während bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 die Druckkugel 13 angenähert auf einer Ringfläche auf dem Boden der zentrischen WellenbohrmKj 14 aufliegt, wird bei der insoweit abgwandelten Ausführungsform gemäß Figur 3 die Druckkraft der Druckkugel 13 über eine in die zentrische Wellenbohrung 14 eingelegte Unterlegscheibe 15 übertragen. Die der Druckkugel 13 zugewandte Oberfläche 15a der Unterlegscheibe 15 ist konkav ausgebildet und hat vorzugsweise die Form einer Kugelkalotte, so daß sich zwischen Druckkugel 13 und konkaver Oberfläche 15a eine angenähert punktförmige Selbstzentrierung der Druckkugel 13 ergibt.While in the embodiment according to Figure 2 the pressure ball 13 rests approximately on an annular surface on the bottom of the central shaft bore 14, in the modified embodiment according to Figure 3 the pressure force of the pressure ball 13 is transmitted via a washer 15 inserted into the central shaft bore 14. The surface 15a of the washer 15 facing the pressure ball 13 is concave and preferably has the shape of a spherical cap, so that an approximately point-like self-centering of the pressure ball 13 results between the pressure ball 13 and the concave surface 15a.
Auch bei der Aus führungs form gemäß Figur 3 wird die Vorspannung über eine Schraubenfeder 12 aufgebracht, die vorzugsweise weich ausgelegt ist. Deshalb ist ein durch das freie Schaftende der Stellschraube 10 gebildeter Anschlag 16 vorgesehen, der die Axialverschiebung der Zwischenwelle 5 gegen die Wirkung der Schraubenfeder 12 begrenzt.In the embodiment according to Figure 3, the preload is also applied via a helical spring 12, which is preferably designed to be soft. Therefore, a stop 16 formed by the free shaft end of the adjusting screw 10 is provided, which limits the axial displacement of the intermediate shaft 5 against the effect of the helical spring 12.
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1994
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