WO1999024739A1 - Zahnrad - Google Patents

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WO1999024739A1
WO1999024739A1 PCT/CH1998/000468 CH9800468W WO9924739A1 WO 1999024739 A1 WO1999024739 A1 WO 1999024739A1 CH 9800468 W CH9800468 W CH 9800468W WO 9924739 A1 WO9924739 A1 WO 9924739A1
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Thomas Scheiwiller
Federico Innerebner
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Bühler AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
    • F16H55/08—Profiling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
    • F16H55/06—Use of materials; Use of treatments of toothed members or worms to affect their intrinsic material properties

Definitions

  • the invention relates to a gearwheel for a gearwheel pairing, as is used in particular in the case of gears and gears of roller mills. It is particularly directed to gearwheels of gearwheel pairings whose gearwheels are made of polymeric materials, but at least one gearwheel of a gearwheel pairing and which can be used for the highest loads.
  • Gears are usually made of various metallic materials.
  • gears and gear pairings made of polymer materials are also to be regarded as known. However, they are only offered and used for low loads, such as. B. for watches and similar devices with comparatively low moment loads.
  • DE-A-3135259 and DE-A-3151447 also describe composite structures of gearwheels made of polymeric and metallic materials.
  • a rod-shaped part is cast with plastic in an injection mold, and according to the other document, the wheel body consists of two parts made of sheet metal that can be detached, between which the toothed ring made of a polymer is fastened by means of hollow pins that pass through the toothed ring .
  • thermoplastics e.g. polyamides
  • modified ceramics are difficult to manufacture (ceramics) and / or do not meet high requirements either.
  • the object of the invention is to improve polymer materials for gearwheels, as well as their processing and usability, to such an extent that they are suitable for transmitting high powers with a long service life.
  • gearwheels made of PA are suitably subjected to further processing.
  • This can be an improvement of the specific tribological system tooth flank / tooth flank or an adaptation of the tooth flank geometry to the specific application and / or tempering.
  • z. B. an oil-free or low-lubricant overdrive in machines in the food industry (e.g. roller mills for grinding grain) can be achieved.
  • the tribological behavior (wear and sliding friction) when passing on Gears made of polymers or polymer / metal are determined by:
  • the specific shape reduces bumps, which leads to a smooth run and reduces wear.
  • a specific treatment in the tooth root area increases the durability-related service life.
  • the invention is described in more detail in an exemplary embodiment with reference to a drawing.
  • the drawing shows a tooth mesh with a medium center distance.
  • the surface of tooth flanks 2 and 2 'of a gear wheel 1, 4 made of PA is optimized with respect to wear and friction behavior by known calculation and manufacturing methods.
  • roller mills In the case of roller mills, the distance variance of the axes mentioned is possible by adjusting the gap and reducing the diameter due to grinding of the rollers. Such roller mills are operated almost continuously and should be low-maintenance and allow a long service life.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Thermal Sciences (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad für eine Zahnradpaarung, wie sie insbesondere bei Getrieben oder Übertrieben von Walzenstühlen Anwendung findet. Sie ist insbesondere gerichtet auf Zahnräder von Zahnradpaarungen, bei denen zumindest jeweils ein Zahnrad aus polymeren Werkstoffen besteht und die für höchste Beanspruchungen einsetzbar sind. Kennzeichnend ist, daß die Zahnflanken (2, 2') in Geometrie und Struktur der Oberfläche an die spezifische Beanspruchung angepasst sind, wobei ein Abwälzen mit grossem Flankenspiel bei etwa unveränderter Überdeckung erfolgt.

Description

Zahnrad
Die Erfindung betrifft ein Zahnrad für eine Zahnradpaarung, wie sie insbesondere bei Getrieben und Übertrieben von Walzenstühlen Anwendung findet. Sie ist insbesondere gerichtet auf Zahnräder von Zahnradpaarungen, deren Zahnräder aus polymeren Werkstoffen bestehen, zumindest jedoch ein Zahnrad einer Zahnradpaarung und die für höchste Belastungen einsetzbar sind.
Zahnräder in Getrieben oder Übertrieben einzusetzen, ist z. B. aus dem Maschinen- und Fahrzeugbau hinlänglich bekannt. Üblicherweise bestehen Zahnräder aus diversen, metallischen Werkstoffen.
Grundsätzlich sind auch Zahnräder und Zahnradpaarungen aus Polymerwerkstoffen als bekannt anzusehen. Sie werden jedoch nur für geringe Beanspruchungen angeboten und eingesetzt, wie z. B. für Uhren und ähnlichen Vorrichtungen mit vergleichsweise geringen Momentbelastungen. In den DE-A-3135259 und DE-A- 3151447 sind auch Verbundkonstruktionen von Zahnrädern aus polymeren und metallischen Werkstoffen beschrieben. Gemass der erstgenannten Schrift wird ein stabförmiges Teil in einer Spritzgussform mit Kunststoff umgössen und nach der anderen Schrift besteht der Radkörper aus zwei miteinander lösbar verbundenen Teilen aus Metallblech, zwischen denen der Zahnkranz aus einem Polymer mittels hohler Stifte, die durch den Zahnkranz hindurchgehen, befestigt ist.
Des weiteren wurde auch versucht, Zahnräder für höhere Momentbelastungen aus Thermoplasten (z. B. Polyamide) oder modifizierter Keramik herzustellen. Diese sind jedoch nur aufwendig herstellbar (Keramik) und/oder genügen hohen Anforderungen ebenfalls nicht.
Anforderungen wie Verschleissbeständigkeit, Festigkeit und Leistung bzw. allgemein mechanisch-tribologischer Natur können von z.B. Polyamiden bedingt erfüllt werden. Grundsätzlich ist es auch bekannt, das von metallischen Werkstoffen her bekannte Tempern/Anlassen bei Polyamiden u.a. anzuwenden, um deren Werkstoffeigenschaften zu verbessern (Spannungsabbau).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Polymerwerkstoffe für Zahnräder, sowie deren Bearbeitung und Einsatzfähigkeit soweit zu verbessern, dass sie zur Übertragung hoher Leistungen bei grosser Lebensdauer geeignet sind.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Zahnräder aus PA (POM) in geeigneter Wei- se einer weiteren Bearbeitung unterzogen werden. Dies kann eine Verbesserung des spezifischen tribologischen Systems Zahnflanke/Zahnflanke bzw. eine Anpassung der Zahnflankengeometrie an die spezifischen Einsatzfälle und/oder ein Tempern sein. Damit soll z. B. ein möglichst ölfreier bzw. schmierstoffarmer Übertrieb bei Maschinen der Lebensmittelindustrie (z. B. Walzenstühle zur Getreidevermahlung) erreicht werden.
In Bezug auf das Tempern bedeutet dies eine neuartige Anwendung durch die doch überraschende Erkenntnis, dass sich Kristallinitätsgrad und Molekulargewicht, z. B. von LAURAMID® (Polyamid) offensichtlich soweit verändern lassen, dass entgegen aller Annahmen der Fachwelt, die geforderten Eigenschaften erreicht werden und ein schmierstoffarmer bis ölfreier Übertrieb ermöglicht wird. Die erforderlichen bzw. erreichten Parameter berühren das Werkstofflimit, wobei beim Tempern die erreichbare Festigkeitsverbesserung nicht primär ist. Die Ursachen der erreichten Betriebsverbesserungen sind mehrschichtig. Es können Erhöhungen des E-Moduls zugrun- deliegen, die zwar eine Erhöhung der Flächenpressung erkennen lassen aber auch eine Verringerung der deformationsabhängigen Temperaturerhöhung durch günstigere Viskositäts-Eigenschaften nach dem Tempern.
Grundsätzlich ist es möglich, derartige Zahnradpaarungen konkurrenzfähig zu Me- tallzahnrädern oder Zahnriemen u. dgl. einzusetzen.
Das tribologische Verhalten (Verschleiss und Gleitreibung) beim Abwälzen von Zahnrädern aus Polymeren bzw. auch Polymer/Metall wird bestimmt durch:
- den Zustand der Werkstoffe, wie Temperung, Härte, Länge der Molekülketten, Kristallinität u. a. - die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe (E-Modul, Wärmebehandlung, Feuchtigkeitsaufnahme)
- die chemischen Eigenschaften der Kontaktflächen, wie Adhäsion oder Haftfähigkeit evtl. Beschichtungen
- die Oberflächenstruktur (Rauheit, Form, Traganteil) - die Geometrie der Zahnflanken
- den Betriebspunkt (Gleitgeschwindigkeit, Flächenpressung, Temperatur, Feuchte)
- ggf. spezifische Schmierstoffeigenschaften.
Durch die spezifische Formgebung werden Stösse reduziert, was zu einem ruhigen Lauf führt und den Verschleiss vermindert. Durch die Anwendung dessen d.h. einer spezifischen Behandlung im Zahnfussbereich erhöht sich die festigkeitsbedingte Lebensdauer.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel an Hand einer Zeichnung näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen Zahneingriff bei mittlerem Achsabstand. Durch an sich bekannte Berechnungs- und Fertigungsverfahren wird die Oberfläche von Zahnflanken 2 bzw. 2' eines Zahnrades 1 , 4 aus PA hinsichtlich Verschleiss- und Reibungsverhalten optimiert.
Im weiteren kann dies auch für eine Metall/Polymerpaarung 1 , 4, bei der das Zahnrad 4 aus einem Metall besteht, z.B. Stahl oder Aluminium, erfolgen, wobei sich die Struktur der Metalloberfläche der Zahnfianke 2' beim Eingriff mit dem Polymerzahn 3 zeitlich kaum ändert. Die Polymeroberfläche passt sich der Metalloberfläche an.
Mit einer solchen, optimierten Flankengeometrie lässt sich einerseits die Betriebsfestigkeit erhöhen und andererseits der Abwälzvorgang der Zahnflanken 2, Σ " verbes- sem, insbesondere in Anwendungen mit variablem Achsabstand. Dies führt zu einem ruhigeren Lauf und verringert den Verschleiss.
Z.B. bei Walzenstühlen ist die genannte Abstandsvarianz der Achsen durch Spalt- Verstellung und Durchmesserverringerung infolge Uberschleifens der Walzen möglich. Derartige Walzenstühle werden nahezu im Dauerbetrieb betrieben und sollen wartungsarm sein und eine hohe Lebensdauer ermöglichen.
Der Erfindungsgedanke ist nicht naheliegend, obwohl oder gerade weil Polymer- zahnradpaarungen an sich bereits Handelsware sind. Umfangreiche Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass gerade solche Handelsware nicht geeignet ist, hohe Anforderungen (z.B. hohe Last und Gleitgeschwindigkeit) zu erfüllen.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass es erforderlich ist, die Kontur der Zahnflanken an den Einsatzfall anzupassen, und dass hierfür spezifische Konturen abgrenzbar sind.
Ebenso hat sich gezeigt, dass es nicht ausreicht, Zahnflanken bei einem Metallzahnrad in üblicher weise zu bearbeiten, vielmehr ist eine, dem Anwendungsfall ange- passte und optimierte Oberflächenbehandlung unabdingbar, wie durch Glätten und/oder Beschichten bzw. Einlagern eines Festschmierstoffes, wie z.B. PTFE. Notwendig sind feine Oberflächen der Zahnflanken 2' mit einer gewichteten Rauheit aus Ra, Rz und Rmcx < 40 μm, mit hohem Traganteil. Der hohe Traganteil hängt nicht nur von Ra ab.
Ggf. kann eine solche Zahnradpaarung mit einer Zahnradkühlung, z. B. nach dem Stand der Technik kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Zahnrad für eine Zahnradpaarung, die bevorzugt aus zwei Zähnrädern (1 , 4) besteht, z.B. für Getriebe oder Übertriebe von Walzenstühlen u. dgl., wobei die Zahnflanken (2, 2') der Zahnräder (1 , 4) feinbearbeitet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Zahnflanken (2, 2') so ausgebildet ist, dass ein Abwälzen mit grossem Flankenspiel bei etwa unveränderter Überdeckung erfolgt.
2. Zahnrad nach einem der Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (1 , 4) aus einem Polymer oder Metall besteht.
3. Zahnrad nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zahn- flanken (2, 2') bezüglich der Spitzen der Oberflächenrauigkeit geglättet und/oder beschichtet sind, um einen hohen Traganteil zu erreichen.
4. Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gewichtete Rauheit der Zahnflanken (2') eines Metallzahnrades kleiner 40 μm ist.
5. Zahnrad nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer ein Polyamid ist.
6. Zahnrad nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Zahnrad (1 ) spezifisch getempert ist.
PCT/CH1998/000468 1997-11-06 1998-11-04 Zahnrad WO1999024739A1 (de)

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