WO2003106865A1

WO2003106865A1 - Zahnradtrieb mit selbsttätigem ausgleich eines zahnflankenspiels

Info

Publication number: WO2003106865A1
Application number: PCT/EP2003/006151
Authority: WO
Inventors: Günter Kampichler; Ernst Gschweitl
Original assignee: Motorenfabrik Hatz Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2002-06-15
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2003-12-24
Also published as: US20040200302A1; EP1514040A1; JP2005530109A; DE10226850B3

Abstract

Ein Zahnradtrieb umfasst ein Zahnrad aus zwei Zahnradscheiben (1, 2), die bezüglich ihrer Drehachse gegeneinander verspannt sind, und wenigstens ein kämmendes Gegenrad mit selbsttätigem Ausgleich eines beim kämmenden Eingriff vorhandenen Zahnflankenspiels, wobei die Zahnradscheiben (1, 2) durch wenigstens eine mit einem Rückschlagventil (7) bestückte hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit (5) gegenseitig abgestützt sind, deren Kolben (6) mit einer ersten Zahnradscheibe (1) derart zusammenwirkt, dass bei dessen Betätigung die andere, zweite Zahnradscheibe (2) mit ihrer in Drehrichtung nachlaufenden Zahnflanke zur Anlage am Gegenrad gelangt, wobei eine Rückbewegung des Kolbens (6) unter der Einwirkung von der Drehrichtung entgegenwirkenden Momenten durch das Rückschlagsventil (7) verhindert wird. Dabei ist die wenigstens eine hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit (5) integral mit der ersten Zahnradscheibe (1) ausgebildet.

Description

Zahnradtrieb mit selbsttätigem Ausgleich eines Zahnflankenspiels

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zahnradtrieb mit einem Zahnrad aus zwei Zahnradscheiben, die bezüglich ihrer Drehachse gegeneinander verspannt sind, und wenigstens einem kämmenden Gegenrad, mit selbsttätigem Ausgleich eines beim kämmenden Eingriff vorhandenen Zahnflankenspiels.

Ein Zahnradtrieb sollte so ausgelegt werden, dass weder ein zu geringes, noch ein zu großes Zahnflankenspiel auftritt, da es sonst zu einem Klemmen der Zahnräder bzw. zu Klappergeräuschen kommen kann. Dies gilt vor allem bei wechselmomentbelasteten Zahnradtrieben, beispielsweise Kurbelwellentriebe von Verbrennungsmotoren, bei denen bei einem zu großen Zahnflankenspiel als Laufgeräusch wahrnehmbare, hochfrequente Schwingungen erzeugt werden.

Dieses Problem tritt verstärkt durch die zusätzliche thermische Ausdehnung der zur Herstellung der Zahnradtriebe eingesetzten, häufig unterschiedlichen Werkstoffe auf. So können bereits beim Warmlaufen eines Verbrennungsmotors akustische Geräusche aufgrund des thermisch bedingten Zahnflankenspiels auftreten. Abgesehen von den unangenehmen Laufgeräuschen unterliegen Zahnradtriebe mit großen Zahnflankenspiel einem erhöhten Verschleiß, der die Standzeit eines Verbrennungsmotors wesentlich beeinträchtigen kann.

Zahnradtriebe, bei denen das Zahnflankenspiel vermindert bzw. ausgeglichen werden kann, sind bekannt. Beispielsweise wird zu diesem Zweck ein Zahnrad aus zwei Zahnradscheiben eingesetzt, die mittels einer zwischen den beiden Zahnradscheiben angeord- neten Feder gegeneinander vorgespannt sind. Kämmt ein solches Zahnrad mit einem anderen Zahnrad, so gelangen die Zähne der Zahnradscheiben jeweils gemeinsam in eine Zahnlücke des anderen Zahnrads und gleichen durch die Federvorspannung ein vorhandenes Zahnflankenspiel aus. Treten gegensinnige Drehmomente auf, so werden diese ohne Zahnflankenspiel mittels der federverspannten Zahnradteile übertragen.

Nachteilig bei einem solchen Zahnradtrieb ist jedoch, dass die Federkonstante der die Zahnradscheiben verspannenden Feder, insbesondere für den Fall des Auftretens von starken Gegenmomenten, groß sein muss. Eine große Federkonstante bedingt jedoch eine hohe Reibleistung des Zahnradtriebs, so dass bei einem solchen Zahnradtrieb mit einer Standzeitverkürzung durch Verschleiß zu rechnen ist. Jedenfalls sind die ohne Zahnflankenspiel übertragbaren Wechselmomente in ihrer Größe beschränkt. Treten große Gegenmomente, beispielsweise in Form von Laufungleichförmigkeiten oder Stößen auf, so ist ein Flan- kenspielausgleich im allgemeinen nicht mehr gewährleistet.

Bei einer anderen bekannten Lösung werden die Zähne der miteinander kämmenden Zahnräder durch eine zwischenliegenden Gummilage entkoppelt. Ein solcher Zahnradtrieb birgt jedoch im wesentlichen die gleichen Nachteile, wie der bereits der oben geschilderte Zahnradtrieb, nämlich eine erhöhte Reibleistung bei nur beschränkt übertragbaren Wechselmomenten, und letztendlich Standzeitprobleme durch erhöhten Verschleiß.

Es ist also wünschenswert über einen Zahnradtrieb zu verfügen, bei dem das Zahnflankenspiel auch beim Auftreten sehr hoher Gegenmomente ausgeglichen wird, ohne dass ein verstärkter Verschleiß durch eine erhöhte Reibleistung des Zahnradtriebs in Kauf genommen werden muss. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 3901076 AI beschreibt eine Einrichtung zum Zahnspielausgleich von zwei miteinander kämmenden Zahnrädern, bei welcher einem der Zahnräder eine Zahnscheibe parallel geschaltet ist und mittels eines hydraulischen Verstellelements bis zur Anlage an den nicht kraftübertragenden Zahnflanken des Gegenzahnrades hydraulisch verstellbar gehalten ist. Ein Rückschlagventil dient zum Auffangen von Gegenmoment. Bei dieser Einrichtung zum Zahnspiel-Ausgleich ist das hydraulische Verstellelement extern an dem mit der Zahnscheibe zusammenwirkenden Zahnrad befestigt.

Das US-Patent Nr. 4,739,670 beschreibt eine Vorrichtung zum Zahnspielausgleich, bei welcher ein Zahnrad, welches mit einem anderen Zahnrad kämmt, aus zwei Zahnradscheiben zusammengesetzt ist, die durch drei in Umfangsrichtung angeordnete Federn zum Zwecke des Zahnspielausgleichs gegeneinander verspannt werden.

Erfindungsgemäß wird ein Zahnradtrieb mit einem Zahnrad aus zwei Zahnradscheiben, die bezüglich ihrer Drehachse gegeneinander verspannt sind, und wenigstens einem kämmenden Gegenrad, für den selbsttätigen Ausgleich eines beim kämmenden Eingriff vorhandenen Zahnflankenspiels gezeigt, bei welchem die Zahnradscheiben durch wenigstens eine mit einem Rückschlagventil bestückte hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit gegenseitig abgestützt sind, deren Kolben mit einer ersten Zahnradscheibe derart zusammenwirkt, dass bei dessen Betätigung die andere, zweite Zahnradscheibe mit der in Drehrichtung nachlaufenden Zahnflanke zur Anlage am Gegenrad gelangt, und sich dadurch auszeichnet, dass die wenigstens eine hydraulische Kolben- Zylinder-Einheit integral mit der ersten Zahnradscheibe ausgebildet ist. Hierbei wird eine Rückbewegung des Kolbens unter der Einwirkung von der Drehrichtung entgegen wirkenden Momenten durch das Rückschlagsventil verhindert.

Kämmt das Zahnrad aus zwei Zahnradscheiben mit dem Gegenrad, so greifen jeweils wenigstens ein Zahn der Zahnradscheiben in eine Zahnlücke des Gegenrads. Eine durch die Verspannung bewirkte Verdrehung der beiden Zahnradscheiben gegeneinander, erfolgt deshalb nur solange, bis die Zähne der beiden Zahnradscheiben zur Anlage mit Kraft gegen die Flanken der Zahnlücke gelangen. Die Verspannung der beiden Zahnradscheiben erfolgt durch die Kolbenkraft des über ein hydraulisches Druckmedium betätigten Kolbens der Kolben-Zylinder-Einheit. Tritt ein Gegenmoment auf, so wird eine damit verbundene Rückbewegung des Kolbens durch das Rückschlagsventil verhindert und das Gegenmoment wird mittels der verspannten Zahnradscheiben ohne Flankenspiel übertragen.

Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass die Größe eines durch den erfindungsgemäßen Zahnradtrieb ohne Flankenspiel zu übertragenden Gegenmoments einzig durch das Rückschlagsventil beschränkt ist. Zudem genügt es, dass die Zahnflanken der Zahnradscheiben den Flanken der Zahnlücken des Gegenrads mit einer zur Erzeugung einer gegensinnigen Flankenberührung ausreichenden Kraft aufliegen. Es ist also im Unterschied zum Stand der Technik nicht erforderlich, dass die jeweiligen Flanken mit einer zur flankenspiellosen Übertragung von großen Gegenmomenten ausreichenden Kraft aufliegen. Darüber hinaus kann die Kolbenkraft über das hydraulische Druckmedium reguliert werden.

Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt in besonders vorteilhafter Weise durch die Verspannung der beiden Zahnradscheiben stets ein selbsttätiger Ausgleich eine vorhandenen Zahnflan- kenspiels. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn sich das Zahnflankenspiel mit der Zeit ändert, beispielsweise durch thermische Ausdehnung oder verschleißbedingten Abrieb.

Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn bei einer Zahnradscheibe ("Hauptrad") die in Axialenrichtung des Zahnrads bestimmte Breite der Zähne größer als jene der anderen Zahnradscheibe ("Ausgleichsrad") ist. Das Hauptrad dient hierbei als treibende oder getriebene Zahnradscheibe. Das Ausgleichsrad dient zum Ausgleich des Zahnflankenspiels und zur flanken- spiellosen Übertragung von Gegenmomenten.

Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele genauer erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Radialschnitt durch ein Zahnrad mit zwei verspannten Zahnradscheiben auf einer Welle entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen schematischen Axialschnitt durch ein Zahnrad auf einer Welle gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen schematischen Radial- und Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zahnradtrieb, wobei das Verhältnis der axialen Breiten der Zähne der verspannten Zahnradscheiben ungefähr 3:1 beträgt;

Fig. 4 einen schematischen Radial- und Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zahnradtrieb mit einem Zahnrad aus zwei verspannten Zahnradscheiben als Mittelrad, wobei das Verhältnis der axialen Breiten der Zähne der Zahnradscheiben ungefähr 1:1 beträgt;

Zunächst seien Fig. 1 und Fig. 2 betrachtet. Fig. 1 zeigt einen Radialschnitt durch ein Zahnrad mit zwei verspannten Zahn- radscheiben auf einer Welle; Fig. 2 zeigt einen Axialschnitt davon. Das Zahnrad setzt sich aus zwei Zahnradscheiben 1, 2 zusammen. Nur eine Zahnradscheibe 1 ("Hauptrad") sitzt der Welle 3 drehfest auf, während die andere Zahnradscheibe 2 ("Ausgleichsrad") in einer Aussparung der der Welle 3 aufsitzenden Zahnradscheibe 1 angeordnet ist. Zahnradscheibe 1 und Zahnradscheibe 2 können relativ zueinander verdreht werden.

Das Hauptrad 1 ist an seinem äußeren Umfang mit einer Zahnung 10 versehen, während das Ausgleichsrad 2 an seinem äußeren Umfang über die Zahnung 11 verfügt. Gemeinsam ergeben die Zahnungen 10, 11 der Zahnradscheiben 1, 2 die Zahnung des Zahnrads .

In jeweiligen Aussparungen des der Welle 3 drehfest aufsitzenden Hauptrads 1 sind in Umfangsrichtung, mit etwa gleichem Winkelabstand, drei Kolben-Zylinder-Einheiten 5 angeordnet. Jeder Kolben 6 einer Kolben-Zylinder-Einheit 5 wirkt derart auf das Hauptrad 1, dass bei dessen Betätigung das Ausgleichsrad 2 mit der in Drehrichtung nachlaufenden Zahnflanke zur Anlage am Gegenrad gelangt.

Ein Betätigung eines Kolbens 6 erfolgt mittels eines hydraulischen Druckmediums. Die bei der gegensinnigen Flankenberührung ausgeübte Kraft hängt von der Kolbenkraft der hydraulischen Kolben-Zylinder-Einheiten 5 ab. Diese kann über das hydraulische Druckmedium zur Betätigung der Kolben 6 reguliert werden.

Innerhalb eines Zahnradtriebs werden Hauptantriebs- oder Abtriebsmomente unmittelbar über das der Welle 3 drehfest aufsitzende Hauptrad 1 und dessen Zahnung 10 auf das Gegenrad übertragen. Durch die Verspannung von Hauptrad 1 und Ausgleichsrad 2 innerhalb der Zahnlücken des Gegenrads werden auch Ge- genmomente ohne Zahnflankenspiel übertragen. Eine Blockierung der verspannten Zahnradscheiben 1, 2 unter der Einwirkung von auftretenden Gegenmomenten wird durch die Rückschlagsventile 7 erreicht. Eine Rückbewegung der Kolben 6 wird unabhängig von der Größe der Gegenmomente verhindert. Die Größe der flanken- spiellos übertragbaren Gegenmomente ist einzig durch die Durchschlagsfestigkeit der Rückschlagsventile 7 begrenzt.

Zur Versorgung der Kolben-Zylinder-Einheiten 5 mit einem hydraulischen Druckmedium ist die Welle 3 mit einem axialen Zuführkanal 8 versehen, welcher auf Höhe des Zahnradteils 1 in eine Ringnut 9 mündet. Die Ringnut 9 ist strömungsleitend mit innerhalb des Zahnradteils 1 vorgesehenen Zuführkanälen 12 verbunden, durch welche das hydraulische Druckmedium schließlich den Kolben-Zylinder-Einheiten 5 zugeführt wird.

Es sei nun Fig. 3 betrachtet, in welcher in schematischer Weise ein Zahnradtrieb mit einem Zahnrad, bestehend aus Hauptrad 1 und Ausgleichsrad 2 (in der Zeichnung links) , sowie einem Gegenrad 4 dargestellt ist. Die untere Darstellung zeigt einen Radialschnitt, während die obige Darstellung einen Axialschnitt zeigt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die in axialer Richtung des Zahnrads bestimmte Breite der Zahnung 10 von Hauptrad 1 und der Zahnung 11 von Ausgleichsrad 2 derart gewählt, dass deren Verhältnis etwa 3:1 beträgt. Die bei dem gewöhnlichen Einsatz des Zahnradtriebs auftretenden Hauptmomente werden hierbei über das einer Welle drehfest aufsitzende Hauptrad 1 mit der breiteren Zahnung 10 auf das Gegenrad 4 übertragen. Treten Gegenmomente auf, so werden diese über das Ausgleichsrad mit der Zahnung 11 geringerer Breite flanken- spiellos übertragen. Schließlich zeigt Fig. 4 den Einsatz eines Zahnrads mit zwei verspannten Zahnradscheiben als Mittelrad, welches mit zwei Gegenrädern 4, 4' kämmt. Die Breite der Zahnung 10 von Hauptrad 1 und Zahnung 11 von Ausgleichsrad 2 ist etwa gleich groß. Wegen der ungefähr gleichen Breite der Zahnungen 10, 11 ist der in Fig. 4 gezeigte Zahntrieb zur Übertragung von in der Drehrichtung sich ändernden Wechselmomenten geeignet.

Obgleich die Erfindung anhand eines stirnverzahnten Zahnradtriebs beispielhaft dargestellt wurde, ist sie hierauf nicht beschränkt. Vielmehr bezieht sich die Erfindung auf Zahnradtriebe mit Stirn-, Schräg-, Pfeil- oder Kegelverzahnung, ebenso auf Zahnstangentriebe, und ganz allgemein auf Zahnradtriebe, in denen mindestens eines der verzahnten Elemente drehfest auf einer Welle gelagert ist.

Bei dem erfindungsgemäße Zahnradtrieb kann das Zahnrad aus zwei verspannten Zahnradscheiben als Antriebs- oder Abtriebsrad verwendet werden. Als Antriebsrad sitzt es beispielsweise der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors auf. Ferner ist auch die Verwendung als ein ohne Last mitlaufendes Loserad vorgesehen.

Ein erfindungsgemäßer Zahnradtrieb kann beispielsweise zum Antrieb der Ölpumpe oder Ventile einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden.

Claims

Patentanspruch

Zahnradtrieb mit einem Zahnrad aus zwei Zahnradscheiben (1, 2), die bezüglich ihrer Drehachse gegeneinander verspannt sind, und wenigstens einem kämmenden Gegenrad (4), mit selbsttätigem Ausgleich eines beim kämmenden Eingriff vorhandenen Zahnflankenspiels, wobei die Zahnradscheiben (1, 2) durch wenigstens eine mit einem Rückschlagventil (7) bestückte hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit (5) gegenseitig abgestützt sind, deren Kolben (6) mit einer ersten Zahnradscheibe (1) derart zusammenwirkt, dass bei dessen Betätigung die andere, zweite Zahnradscheibe (2) mit ihrer in Drehrichtung nachlaufenden Zahnflanke zur Anlage am Gegenrad (4) gelangt, wobei eine Rückbewegung des Kolbens (6) unter der Einwirkung von der Drehrichtung entgegenwirkenden Momenten durch das Rückschlagsventil (7) verhindert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine hydraulische Kolben-Zylinder- Einheit (5) integral mit der ersten Zahnradscheibe (1) ausgebildet ist.