WO2007048516A2

WO2007048516A2 - Hochübersetzendes kegelradgetriebe

Info

Publication number: WO2007048516A2
Application number: PCT/EP2006/009938
Authority: WO
Inventors: Hermann J. Stadtfeld; Markus Bolze
Original assignee: Bgi Automotive Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2006-10-14
Publication date: 2007-05-03
Also published as: DE102005050794A1; DE112006002593A5; WO2007048516A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hochübersetzendes Kegelradgetriebe nach dem Einzelteilverfahren hergestellt, mit Ritzelzähnezahlen zwischen (1) und (4) welches einen Achsversatz zwischen den Drehachsen von Ritzel und Tellerrad besitzt und dessen Ritzel als eine kegelige Schnecke ausgeführt ist, die im wälzenden Verfahren hergestellt wurde während das Tellerrad formverzahnt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Seelendurchmesser des Ritzels an der Ferse mindestens der doppelten Zahnhöhe an der Ferse entspricht und ein Einstich die Ritzelzähne und ihre Anbindung am Lagerschulterabsatz beziehungsweise dem Ritzelschaft trennt.

Description

Hochübersetzendes Kegelradgetriebe

Die Erfindung bezieht sich auf hochübersetzende Kegelradgetriebe bestehend aus einem Ritzel und einem Tellerrad gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 , die durch eine hohe Übersetzung gekennzeichnet sind.

Kegelräder werden im einzelteilenden- oder kontinuierlichen- Verfahren in der Regel mittels Stirnmesserköpfen wie aus DE 2748037 A1 bekannt, hergestellt. Die zumeist treibenden Ritzel haben eine kleinere Zähnezahl (meist unter 20) und werden ausschließlich durch ein flankengenerierendes Wälzen hergestellt. Die zumeist getriebenen Tellerräder haben eine größere Zähnezahl (meist über 20) und werden entweder durch flankengenerierendes Wälzen oder durch abbildendes Formverzahnen erzeugt.

Die Flankenlinien der einzelteilverzahnten Kegelräder entsprechen einem Kreisbogen. Kontinuierlich verzahnte Kegelräder besitzen eine Epizykloide als Plankenlinie. Für das endgültige Laufverhalten der Verzahnungen ist die Flankengeometrie der feinbearbeitetenden Kegelräder nach dem Härten ausschlaggebend. Schleifen von bogenverzahnten Kegelrädern nach dem Härten mittels Werkzeugen und Kinematiken, die der Weichbearbeitung nachgebildet sind, ist nur für das Einzelteilverfahren möglich wie es aus der DE 2721164 C1 bekannt ist. Im Stand der Technik sind Winkelgetriebekonstruktionen für Leistungsgetriebe bekannt, die entweder als mehrstufige Getriebe, bestehend aus einem Kegelradgetriebe und ein bis zwei Stirnradstufen, oder mittels eines Schneckengetriebes ausgeführt werden.

Mehrstufige Getriebe besitzen den Nachteil einer komplexen Getriebekonstruktion mit vielen Bauteilen, einem daraus resultierenden kleinen Wirkungsgrad (ca. 80%) und entsprechend hohen Herstellkosten. Schneckengetriebe sind in der Regel mit einem Schneckenrad aus Bronze ausgeführt um Zahnflankenfressen zwischen Schnecke und Schneckenrad zu vermeiden. Die Wirkungsgrade von Schneckengetrieben sind je nach Schneckenzähnezahl sehr gering (65%) und die Herstellkosten von schlichtgefrästen Schneckenrädern aus Bronze und geschliffenen Schnecken aus einsatzgehärtetem Stahl sind sehr hoch. Der kontinuierliche, hohe Verschleiß der Bronze des Schneckenrades führt darüber hinaus zu hohen Wartungskosten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optimierte Winkelgetriebekonstruktion für Leistungsgetriebe vorzuschlagen, die die bekannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe eines Winkelgetriebes mittels eines einstufigen hochübersetzenden Kegelradgetriebes nach Anspruch 1 gelöst, dessen Tellerrad und Ritzel (insbesondere) aus einsatzgehärtetem Stahl mit geschliffenen Flankenflächen hergestellt sind. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ein Verfahren nach Anspruch 18 gelöst.

Eine sehr kleine Ritzelzähnezahl in Verbindung mit einer großen Teller- radzähnezahl und Normalmodulen, wie sie bei Leistungsgetrieben üblich sind, konnte diese Aufgabe gemäß dem Stand der Technik bisher nicht lösen, da die sich ergebenden kleinen Ritzeldurchmesser zum Bruch durch den Ritzelkern führen und die hohen Gleitgeschwindigkeiten Fresserscheinungen an der Flankenoberfläche hervorrufen. Eine weitere Problematik besteht in den kleinen Ritzeldurchmessern und den vergleichsweise großen Schaftdurchmessern, die erforderlich sind um die Wellenverbiegungen zu limitieren und um Wälzlagergrößen verwenden zu können, die in Verbindung mit den auftretenden radialen und axialen Kräften ausreichende Tragzahlen ergeben.

Die Erfindung, wie sie durch die Merkmale des Hauptanspruches 1 beansprucht ist, bezieht sich auf hochübersetzende Kegelradpaarungen mit Ritzelzähnezahlen zwischen 1 und 4, wie sie in "Zukunftsweisende Verzahntechnik, Ausgabe 2001 , The Gleason Works, Rochester New York, USA" beschrieben sind. Aufgrund der kleinen Zähnezahlen haben die Ritzel die Form von Kegelschnecken. Der Ritzelspiralwinkel ergibt sich bei Schnecken aus dem Zusammenhang, dass bei gegebenem Normalmodul und einem angenommenen mittleren Ritzeldurchmesser die Zähne sich wie Gewindegänge um den Ritzelgrundkörper wickeln, deren Steigung sich in guter Näherung nach folgender Formel ergibt:

t = m_n • π

U₀ = d₀ • π λ = tan(t ^• Z₁ / U₀)

P₁ = 90° - λ

t... Normalteilung der Ritzelzähne π... Kreiszahl

U₀... Mittlerer Teilkreisumfang λ... Steigungswinkel der Ritzelzähne

Zi... Ritzelzähnezahl ßi... Mittlerer Ritzelspiralwinkel

Aufgrund der, bei schneckenförmigen Zahnrädern systembedingten hohen Gleitgeschwindigkeiten und des kleinen Ritzel-Kerndurchmessers (Ritzel-Seele) ergeben sich, in Verbindung mit den zu übertragenden Drehmomenten, fünf festigkeitsbegrenzende Kriterien: a Zahnfußfestigkeit (Zahnfußbiegespannung) b Flankenfestigkeit (Flankenpressung) c Fresstragfähigkeit d Seelenfestigkeit (Biegefestigkeit) e Rissbildung an Fersenanbindung (Bruch des Ritzelkopfes)

Durch die geringe Ritzelzähnezahl wird bei Leistungsverzahnungen der Ritzelaußendurchmesser abhängig vom Modul verhältnismäßig klein ausfallen. Die Ritzelseele, die dem Fußkegel des Ritzels entspricht, ergibt sich aus dem Kopfkegel abzüglich der, über die Zahnbreite variierenden Zahnhöhe. Die Ritzelseele kann als kegelförmiger Biegebalken betrachtet werden, der durch die darauf befindlichen Zähne eine gewisse Versteifung erfährt. Abhängig vom Spiralwinkel der Ritzelzähne wirkt das Ritzel wie eine kegelförmige Schnecke, deren Zahnlücken wie Kerben wirken und die Bruchgefahr erhöhen. Die Ritzelseele soll mit ihrem Durchmesser an der Ferse die zweifache Höhe der darüber befindlichen Zähne nicht unterschreiten um mit ihrer Dauerbruchfestigkeit nicht wesentlich unter der Zahnfußfestigkeit zu liegen. Als Ferse wird in der einschlägigen Literatur und der Normengebung das Zahnende am größeren Durchmessers des kegeligen Grundkörpers bezeichnet.

Die in Betracht gezogenen Normalmodulen betragen 2mm und darüber, insbesondere wird im Ausführungsbeispiel der Normalmodul 3,37mm behandelt. Eine Ritzelauslegung mit Standardproportionen würde für einen, bei dreizähnigen Ritzeln kleinstmöglich gewählten Spiralwinkel von 58,32°, einen Teilkreisdurchmesser erhalten von:

di = m„ / cosß₁ ^» zi

( 3,37mm / cos58,32° ) • 3 = 19,25mm di = 19,25mm

m_π... Normalmodul an der Ferse di... Teilkreisdurchmesser an der Ritzelferse Die Zahnfußhöhe errechnet sich als das 1 ,2-fache des Normalmoduls:

h_f = m_n « l,2 3,37mm • 1,2 = 4,04mm hf = 4,04mm

h_f... Zahnfußhöhe an der Ferse

Der Fußkreisdurchmesser ergibt sich durch Subtraktion der zweifachen Zahnfußhöhe, vom Teilkreisdurchmesser,

19,25mm - 2 • 4,04mm = 11,17mm d_fi = 11,17mm

d_π... Fußkreisdurchmesser, Ritzelferse (Seelendurchmesser)

Die doppelte Zahnhöhe beträgt:

2h = In_n • 2,2 • 2

337mm • 2,2 • 2 = 14,83mm 2h = 14,83mm

2h... Doppelte Zahnhöhe

Der Fußkreisdurchmesser entspricht dem Durchmesser der Ritzelseele an der Ferse. Die Betrachtung zeigt, dass Standardproportionen zu Seelendurchmessern führen, die unter der doppelten Zahnhöhe liegt, wodurch die Ritzelseele dauerbruchgefährdet ist.

d_π < 2h

Eine sogenannte Ritzelabrückung, die einer positiven Profilverschiebung des Ritzels entspricht, löst die Aufgabe, die Ritzelseele zu vergrößern. Hierdurch wird die Festigkeit der Ritzelseele verbessert, jedoch die Fresstragfähigkeit verringert. Der Außendurchmesser des beispielhaften Ritzels beträgt Teilkreisdurchmesser plus zwei mal Modul,

d_ki = di + 2 • m_n 19,25mm + 2 • 3,37mm = 25,99mm

d_ki... Außendurchmesser, Ritzelferse

Da sich bei schneckenförmigen Ritzeln die Längsgleitgeschwindigkeit näherungsweise aus der Umfangsgeschwindigkeit, multipliziert mit dem Sinus des Spiralwinkels errechnet, würde sich bei einem direkt am Ritzel angekoppelten Antriebsmotor mit einer Drehzahl von 1500 U/min und einem Spiralwinkel von 60° eine Gleitgeschwindigkeit von 104'226mm/min ergeben.

V_gl = d_ki • π • n • sinßi

25,99mm • π • 1500 U/min • sin58,32° = 104 226mm/min V_gl = 104 226mm/min

v_g|... Längsgleitgeschwindigkeit n... Drehzahl des Ritzels

Längsgleitgeschwindigkeiten über 100'OOOmm/min sind generell kritisch bezüglich Fresserscheinungen an den Flankenoberflächen, insbesondere bei einer Nennlast, die von der maximal dauerfest ertragbaren Flankenpressung abgeleitet ist (wie bei Leistungsgetrieben üblich). Sie bedürfen eines Hochdruck-Hypoidöls mit hoher Scherfestigkeit und erfindungsgemäß einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit.

Unter den genannten fünf festigkeitsrelevanten Kriterien werden die Kriterien a (Zahnfußfestigkeit, Zahnfußbiegespannung) und b (Flankenfestigkeit, Flankenpressung) als Führungsgrößen verwendet um die dauerfest übertragbaren Drehmomente zu bestimmen. Die abhängigen Größen sind demzufolge c (Fresstragfähigkeit), d (Seelenfestigkeit, Biegefestigkeit) und e (Rissbildung an Fersenanbindung).

Die Erfindung, wie sie durch die Merkmale des Anspruches 1 bean- sprucht ist, ist geeignet, die Festigkeitsrisiken c, d und e zu eliminieren oder zu reduzieren und einen dauerfesten beziehungsweise hoch-zeitfesten Zustand herbeizuführen.

Die Erfindung ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspru- ches 1 durch zwei Merkmale gekennzeichnet.

1) Zunächst wird erfindungsgemäß durch eine Ritzelprofilverschiebung der Durchmesser der Ritzelseele soweit vergrößert, dass

dn ≥ 2h

gegeben ist, also der Durchmesser der Ritzelseele wenigstens dem Doppelten der Zahnhöhe entspricht. Die Ritzelseele sollte nun nachgerechnet und eventuell nachkorrigiert werden. Die Vergrößerung des Ritzels hat eine weiter gesteigerte Längsgleitgeschwindigkeit zur

Folge, die zu einem kritischen Zustand bezüglich Zahnflankenfressen führt.

Im Stand der Technik wird die Anbindung der Ritzelzähne an der Rit- zelferse akzeptiert oder sogar als steifigkeitserhöhender Vorteil betrachtet. Sie entsteht bei schneckenförmigen Ritzeln mit kleiner Zähnezahl dadurch, dass der Ritzelschaft aufgrund der erforderlichen, minimalen Lagergröße einen Durchmesser besitzt, der in der Regel um mindestens den zweifachen Normalmodul größer ist als der Durchmesser der Ritzelseele an der Ferse. Die Zahnlücken bzw. die Fräserschnittbahnen laufen aus der Ritzelferse in den Ritzelschaft, damit in der gesamten aktiven Zahnbreite, bis zur Ritzelferse, wälzfähige Zahnflanken erzeugt werden. Die dadurch entstehende Anbindung der Ritzelzähne am Ritzelschaft wird im Stand der Tech- nik als akzeptabel, zuweilen sogar als vorteilhaft bewertet. Tatsächlich handelt es sich jedoch um einen Nachteil, da der plötzliche Steifigkeitssprung nur eine elastische Verformung geringer Größe zulässt, bis erste Risse im Bereich der Ritzelferse ausgehend von den Zahnköpfen auftreten. Diese Risse pflanzen sich fort und führen zum Bruch meist unter einem Winkel von 45° (Schubspannungshypothese) durch die Zähne und die Ritzelseele.

2) Erfindungsgemäß beseitigt die nicht naheliegende Maßnahme eines Einstiches (beispielsweise gemäß Fig. 5) die Gefahr von Rissen an der Fersenanbindung. Durch den Einstich (reduzierter Durchmesser) wird die aktive Zahnbreite vom Auslaufgebiet der Fräserspuren und vom Ritzelschaft getrennt bzw. abgekoppelt. Durch die Entkoppelung des Ritzelkopfes und des Schaftes werden Spannungsspitzen an den Zahnköpfen bzw. Übergangspunkten zwischen Zähnen und

Schaft vermieden.

Da die Oberfläche des Einstiches keine Funktionsfläche ist, soll der Bereich des Einstiches vorzugsweise weich, also nicht gehärtet sein. Da der Elastizitätsmodul sich durch die Härteschicht nicht verändert, werden die Spannungen durch Biegung und Torsion von den Ritzelzähnen über die Ritzelseele durch das Kemmaterial unter dem Einstich optimal in den Ritzelschaft übertragen. Bei Stoßbelastungen oder Überlast wirkt sich der nicht oberflächengehärtete Übergangs- bereich des Einstiches wegen seiner größeren Duktilität vorteilhaft aus.

Praktische Versuche an einem Ausführungsbeispiel haben gezeigt, dass Werkstücke mit einem weichen Einstich etwa 10fache Rit- zeldrehmomente bis zum Bruch ertragen, verglichen mit Werkstücken ohne Einstich. Die Versuche zeigten auch, dass Werkstücke mit einem gehärteten Einstich bereits bei etwa δfachen Ritzeldrehmomenten brechen. Die besten Resultate ergaben sich in Fällen, in denen der Einstich an der Ritzelferse nach dem Einsatz- härten durch Hartdrehen oder Schleifen angebracht wurde. Die Tiefe des Einstiches kann bevorzugt so festgelegt werden, dass der Grund des Einstiches dem des Zahnfußes an der Ferse entspricht. Eine geringere Tiefe ist ebenfalls bevorzugt und möglich. Die Breite des Einstiches soll vorteilhafterweise etwa der Tiefe des Einstiches entsprechen; die Radien zwischen dem Grund und den Seitenbegrenzungen des Einstiches sollen nicht kleiner als 1,0mm gewählt werden.

Es entspricht dem Stand der Technik, die Oberflächenhärte des

Ritzels gegenüber der des Tellerrades höher zu wählen. Beispielhafte Werte sind beim Ritzel 63 HRC und beim Tellerrad 60 HRC Oberflächenhärte. Unterschiedliche Oberflächenhärten verringern die Affinität der kontaktierenden Oberflächen und reduzieren daher die Fressneigung. Ebenfalls entspricht die Verwendung eines vollsynthetischen Hypoidöls mit hoher Druck- und Scherfestigkeit (Tabelle 1) zur Verringerung der Fressneigung dem Stand der Technik. Beide Maßnahmen, unterschiedliche Oberflächenhärte und vollsynthetisches Hypoidöl, werden vorzugsweise neben den erfindungsgemäßen Merkmalen bei dem erfindungsgemäßen, hochübersetzenden Kegelradgetriebe vorausgesetzt. Zur weiteren Reduzierung der Fressneigung werden bevorzugt zumindest die geschliffenen Zahnflanken des Tellerrades phosphatiert (Tabelle 2) und/oder die geschliffenen Zahnflanken des Ritzels kugelgestrahlt (Tabelle 3).

Tabelle 1

Tabelle 3

Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Kegelradgetriebe das folgende Merkmal auf.

Vorteilhafterweise wird das Getriebe, bevorzugt mit einer Oberflächen- kombination phosphatiert und/oder kugelgestrahlt, zum dauerhaften Schutz der Zahnflanken vor Fressen, Pittings und Graufleckigkeit - über den Stand der Technik hinaus - einer Einlaufprozedur unterzogen. Die Einlaufprozedur findet bevorzugt im montierten Zustand im Getriebegehäuse, vorzugsweise unter Zugabe^' eines Hypoidöls nach Tabelle 1 , statt und dauert bis zu mehreren Stunden. Vorzugsweise wird so viel Öl zugegeben, dass wenigstens 10%, bevorzugt 20% des Durchmessers des Tellerrades mit Öl bedeckt ist, wobei das Getriebe derart in dem Getriebegehäuse angeordnet ist, dass die Tellerradachse waagerecht verläuft. Besonders bevorzugt ist eine Ölbedeckung von höchstens 40% des Durchmessers des Tellerrades. Ein Bedeckungsgrad von 35% hat sich im Rahmen der Erfindung als optimal erwiesen.

Während des Einlaufens kann mit einem Bruchteil der Nennlast begonnen werden (z.B. 10% oder 20%), um die Belastung in mehreren Schrit- ten auf die Nennlast zu steigern. Im Fall eines 4-Stufen-Kollektivs, also einer Einlaufprozedur mit 4 Stufen, beispielsweise von 20%, 40%, 60% und 80% der Nennlast, werden bevorzugt je ca. 2 Std. pro Stufe mit jeweils 5 minutigen Intervallen durchlaufen.

Falls während des Einlaufens die Nenndrehzahl verwendet werden soll, muss der Antrieb nach einigen Minuten abgeschaltet werden und anschließend aus dem Stillstand ein neuer Hochlauf stattfinden. Die Sequenz aus intervallartigen Hochläufen kann genutzt werden, um abwechselnd mit Vorwärts- und Rückwärtslauf die Zug- und Schubflanken der Kegelradpaarung zu behandeln. Die Einlaufsequenz mit stufenweisem Anstieg des Antriebsdrehmomentes und wechselnden Drehzahlen stellt erfindungsgemäß eine Behandlung zur Glättung der Oberflächen dar, die nur durch ein Kegelrad mit seinem Gegenrad eine anwendungsgerechte Glättung ergibt.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Kegelradgetriebe, vorzugsweise nach Durchlaufen der Einlaufprozedur, erlaubt die wirtschaftliche Herstellung von einstufigen wartungsfreien Industriegetrieben, mit hohem Wirkungsgrad, was den Energieverbrauch solcher Getriebe reduziert.

Die Verzahnungsdaten eines in den folgenden Zeichnungen erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiels sind - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - in Tabelle 4 zusammengefasst.

Tabelle 4

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Tabelle 4 handelt es sich um eine, bezüglich der Proportionen optimierte Verzahnung. Die Ritzelzahnhöhe an der Ferse beträgt 8,45mm (Standardzahnhöhe = 7,42mm). Die Ritzelseele wurde an der Ferse durch eine Profilverschiebung des Ritzels vom Standarddurchmesser 11 ,17mm auf 21 ,34mm vergrößert. Die doppelte Zahnhöhe 2h an der Ritzelferse beträgt, bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 gleich 16,90mm. Die erfindungsgemäß angewandte ungewöhnliche Ritzelvergrößerung erfüllt somit die erfindungsgemäße Forderung eines Ritzelseelendurchmessers der größer/gleich der zweifachen Zahnhöhe ist:

dπ > 2h 21,34 > 16,90

Die vereinfacht errechnete Gleitgeschwindigkeit beträgt:

V_gl = d_ki • π • n • sinß_! 38,16mm • π • 1500 U/min • sin58,32^o = 153 030mm/min

Der Wert der Gleitgeschwindigkeit hat sich gegenüber dem, für die Standardproportionen errechneten Wert von 104'226mm/min um etwa 50% vergrößert, was auf die Vergrößerung der Ritzelseele und damit des Außendurchmessers an der Ferse zurückzuführen ist. Hochübersetzende Kegelradgetriebe besitzen gemäß dem Stand der Technik drei Probleme, die ihren Einsatz anstelle von Schneckengetrieben oder mehrstufigen Winkelgetrieben zur Übertragung von Leistung bisher verhindert haben.

Übliche Auslegungen von Ritzeln mit ein bis vier Zähnen, die mit üblichen Profilverschiebungen ausgeführt werden, besitzen eine zu dünne Ritzelseele, die für die von den Zähnen übertragbaren Drehmomente keine Dauerfestigkeit besitzt. Erfindungsgemäß werden die Ritzel von hochübersetzenden Kegelradgetrieben mit einer unkonventionell großen Profilverschiebung versehen, die den Durchmesser der Ritzelseele an der Ferse auf mindestens die doppelte Zahnhöhe vergrößert.

Die Gleitgeschwindigkeiten hochübersetzender Kegelradgetriebe führen insbesondere nach einer Ritzelvergrößerung, zu Flankenschäden wie

Fressen, Graufleckigkeit und Pittings. Erfindungsgemäß können diese

Flankenschäden durch Kugelstrahlen und/oder Phosphatieren der Zähne des Ritzels und/oder des Tellerrades verhindert werden. Vorzugsweise werden die Flankenschäden durch Kugelstrahlen des Ritzels, Phosphatieren des Tellerrades und eine anschließende Einlaufsequenz verhindert. Die Flanken können nach dem Härten durch Schleifen und/oder Läppen fein bearbeitet werden.

Aufgrund der hohen übertragbaren Drehmomente von hochübersetzen- den Kegelradgetrieben entstehen aus den geforderten Lagertragzahlen Ritzelschaftdurchmesser, die größer sind als die Durchmesser der Ritzelseele an der Ferse. Dieser Steifigkeitssprung führt zu Spannungsspitzen, die das Material in der Regel nicht Dauerfest erträgt und die somit zum Bruch zwischen Ritzelkopf und Ritzelschaft führen. Erfin- dungsgemäß löst ein Einstich zwischen der Ritzelferse und dem Ritzelschaft beziehungsweise dem Lagerschulterabsatz die Problematik, indem die Zähne vom Schaft abgekoppelt werden und die elastische Verbiegung nicht mehr behindert wird. Erfindungsgemäß führt bevorzugt die Kombination der drei Elemente Ritzelseele, Oberfläche und Einstich zu anforderungsgerechten, dauerfesten hochübersetzenden Kegelradgetrieben, die einen wirtschaftlichen Einsatz anstelle von mehrstufigen Getrieben oder Schneckengetrieben ermöglichen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine ebene Darstellung des dreizähnigen Ritzel, das zur Realisierung einer hohen Übersetzung verwendet wird,

Fig. 2 eine ebene Darstellung eines hochübersetzenden Kegelradsatzes mit einem dreizähnigen Ritzel und einem 44 zähnigen Tellerrad, die miteinander im Eingriff stehen,

Fig. 3 ein Stirnschnitt des Ritzels an der Ferse, worin der Kopf- durchmesser, die drei Ritzelzähne im Stirnschnitt und der

Fußdurchmesser (Seelendurchmesser) abgebildet sind,

Fig. 4 eine ebene Darstellung der Gleitgeschwindigkeitsvektoren eines hochübersetzenden Kegelradsatzes im Eingriffsgebiet der Tellerradflanken, projiziert in eine Achsschnittebene und

Fig. 5 eine ebene Darstellung der Seitenansicht eines dreizähnigen, hochübersetzenden Kegelritzels mit einem Einstich zwischen Ritzelferse und ^'Ritzelschaft

Fig. 1 zeigt ein dreizähniges Ritzel 20 in der Seitenansicht. Links eines Einstiches 55 befindet sich der Ritzelkopf 20a, mit drei Zähnen 22, die sich um den Grundkörper 20b wickeln. Rechts des Einstiches 55 befindet sich der Lagerschulterabsatz 56 mit der Lagerschulter 54. Mit 53 ist ein Teil des Ritzelschaftes bezeichnet, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des vorderen Ritzellagers entspricht.

Fig. 2 zeigt ein Getriebe 1 , bei dem sich ein Ritzel 20 mit einem Tellerrad 21 in Eingriff befindet. Die Ritzelzähne 22 winden sich wie bei einer Schnecke um den Ritzelgrundkörper 20b. Die Tellerradzähne 23 sind bogenförmig auf dem Tellerradgrundkörper angebracht. Die Ritzelachse 24 besitzt gegenüber der Tellerradachse 25 einen Achsversatz 26. Der Achsversatz 26 ist eine Folge des Spiralwinkelunterschiedes zwischen den Ritzelzähnen 22 und den Tellerradzähnen 23. Der Ritzelspiralwinkel ergibt sich aus der Steigung, der sich gewindegangartig um den Ritzelgrundkörper 20b windenden Zähne 22 mit den Parametern Zähnezahl, Normalmodul und mittlerem Ritzeldurchmesser. Nur bei kleinen Spiralwinkeln, in der Regel solchen unter 35°, ist es möglich Kegelradpaarungen ohne Achsversetzung zu realisieren. Zähne mit einem Spiralwinkel von über 35° und insbesondere über 45° liefern auf dem leicht kegeligen und bei großen Zähnezahlen nahezu ebenen Tellerradgrundkörper des Tellerrades 21 exotische Zahnformen, die die Wälzfähigkeit des Tellerrades 21 einschränken oder sogar verhindern.

Da die Ritzel 20 von hochübersetzenden Kegelradgetrieben 1 Spiralwinkel zwischen 50° und 75° besitzen und die Tellerradspiralwinkel wesentlich kleiner gewählt werden müssen, ist es erforderlich die entstandene Diskrepanz der Spiralwinkel mittels einer Achsversetzung 26 auszugleichen. Selbst in Fällen, in welchen aus konstruktiven Gründen eine Achs- Versetzung 26 nicht gefordert ist, muss der Versatz der Ritzelachse 24 in Bezug auf die Tellerradachse 25 in die Konstruktion eingearbeitet werden. Die Größe des Achsversatzes 26 hängt dabei lediglich von dem Spiralwinkelunterschied zwischen Ritzel 20 und Tellerrad 21 ab. Der Achsversatz 26 kann in Verbindung mit dem Spiralwinkel des Tellerrades 21 so gewählt werden, dass die Abwälzbedingungen besonders günstig sind. Ebenfalls besteht die Möglichkeit in Fällen von konstruktiven Restriktionen einen Achsversatz festzulegen, der die konstruktiven Forderungen erfüllt und der gleichzeitig zu guten beziehungsweise akzeptablen Abwälzbedingungen führt.

Fig. 3 zeigt die Ansicht eines Stirnschnittes des Ritzels 20 in Höhe der Ferse 52. Mit den Bezugsziffern 30, 31 und 32 sind die Fersenschnitte der drei Zähne 22 des Ausführungsbeispiels bezeichnet. Der Kopfdurchmesser (Außendurchmesser) 33 begrenzt die Zähne 22 außen. Die Ritzelseele 34 ist der Fußdurchmesser der Zähne. Der Unterschied zwischen dem Kopfdurchmesser 33 und dem Seelendurchmesser 34 entspricht der doppelten Zahnhöhe 2h. Das Ziel einer Ritzelprofilverschiebung ist es, den Seelendurchmesser 34 sowie den Kopfdurchmesser 33 gleichermaßen zu vergrößern, bis der Seelendurchmesser 34 gleich oder größer der doppelten Zahnhöhe 2h ist. Berechnungen, die durch praktische Versuche abgesichert sind, haben gezeigt, dass die Kernbruchfestigkeit der Ritzelseele erst im dauerfesten Bereich liegt, wenn bei Leistungsverzahnungen des Modulbereiches 2mm und darüber, die Ritzelseele mindestens der doppelten Zahnhöhe 2h entspricht.

In Fig. 4 ist die Berandung eines Tellerradzahnes 40 des Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen hochübersetzenden Kegelradgetriebes als Achsschnittprojektion dargestellt. Die obere begrenzende Linie 41 ist der Zahnkopf des Tellerradzahnes 40. Die untere begrenzende Linie 42 ist der Zahnfuß des Tellerradzahnes 40. Die rechte begrenzende Linie 43 ist die Zehe des Tellerradzahnes 40. Sie liegt am kleinen Durchmesser des kegelförmigen Grundkörpers des Tellerrades 21. Die linke begrenzende Linie 44 ist die Ferse des Tellerradzahnes. Sie liegt am großen Durchmesser des kegelförmigen Grundkörpers 21a des Tellerradzahnes. Der Tellerradzahn 40 ist eine Achsschnittprojektion, die als Ebene Darstellung der relativen Gleitgeschwindigkeitsvektoren dient, die zwischen der konvexen Tellerradflanke und der konkaven Ritzelflanke auftreten. Die realen Gleitgeschwindigkeiten liegen in der jeweiligen Tangentialebene der momentanen Berührzone von Ritzel 20 und Tellerrad 21 während des Abwälzens und sind zur besseren Anschaulichkeit in die ebene Darstellung des Tellerradzahnes 40 projiziert.

An einer Anzahl von 81 Punkten sind als gerade Linien die Gleitgeschwindigkeitsvektoren 45, des in Tabelle 4 definierten Ausführungsbeispieles eingezeichnet. Die Berechnung und Darstellung der Gleitgeschwindigkeitsvektoren beschränkt sich bei der in Fig. 4 gezeigten Graphik auf den Flankenbereich von der Ferse bis etwas über die mitt- lere Zahnbreite hinaus. Relatives Gleiten besteht über die gezeichneten Gleitgeschwindigkeitsvektoren hinaus in allen Flankenbereichen in denen Kontakt zwischen Ritzel- und Tellerradflanken existiert. Die maximale Gleitgeschwindigkeit ergibt sich durch die Multiplikation des längsten Gleitgeschwindigkeitsvektors 46, am Zahnfuß des Tellerrades mit einem Maßstabsfaktor 47.

Für das Ausführungsbeispiel ergibt sich für den maximalen Gleitge- schwindigkeitsvektor eine Gleitgeschwindigkeit von 3,9cm • 0,56m/s/cm = 2,18m/s oder umgerechnet 131'040mm/min, was deutlich unter dem, im Abschnitt Beschreibung näherungsweise errechneten Wert von 153O30mm/min liegt. Die Berechnung der Gleitgeschwindigkeitsvektoren in Fig. 4 wurden mittels exakt berechneter Flankenpunkte und der korrekten relativen Achslage von Ritzel 20 und Tellerrad 21 für eine Ritzeldrehzahl von n = 1500 U/min ermittelt. Die genaue Berücksichti- gung der Flankengeometrien und des maximalen, überdeckten Flankenbereiches zwischen Ritzel 20 und Tellerrad 21 ist die Ursache für die ca. 17%ige Abweichung der Näherungslösung vom exakten Gleitgeschwin- digkeitswert. Die größten Gleitgeschwindigkeiten bestehen bei hochübersetzenden Getrieben an den Kopfkanten der Ritzelzähne an der Ferse. Die Region der höchsten Gleitgeschwindigkeit Ritzelkopf-Ferse besitzt Wälzkontakt mit der Region Tellerradfuß-Ferse und wird daher korrekt in Lage und Größe vom Gleitgeschwindigkeitsvektor 46 repräsentiert.

In Fig. 5 ist die Seitenansicht eines hochübersetzenden Ritzels 50 dargestellt. Die aktive Zahnbreite erstreckt sich von der Zehe 51 bis zur Ferse 52. Der Durchmesser des Ritzelschaftes 53 ergibt sich aus dem Innendurchmesser der Lager, die mit ihren Tragzahlen aus den dauerfest zu übertragenden Drehmomenten und Drehzahlen festgelegt werden. Eine Lagerschulter 54 ist zur Positionierung der Lager und zur Übertragung der Axialkräfte erforderlich. Der erfindungsgemäße Einstich 55 trennt die Ritzelzähne 22 und ihre Anbindung am Lagerschulterabsatz 56. Der zum Herstellen der Zahnlücken verwendete Fräser hinterlässt Auslaufspuren, die von der Ferse 52 bis in den Lagerschulterabsatz 56 und in manchen Fällen sogar bis in den Ritzelschaft 53 reichen. Die Zerschneidung von Lagerschulter 56 und Ritzelschaft 53 durch die Fräserauslaufspuren ist in der Regel zulässig.

Der Einstich 55 trennt den aktiven Zahnbereich und den Lagerschulterabsatz 56 beziehungsweise den aktiven Zahnbereich und den Ritzelschaft 53 im Bereich der Fräserauslaufspuren.

Die Tiefe des erfindungsgemäßen Einstiches 55 geht bis zum Zahnfuß (Ritzelseele) oder endet geringfügig darüber. Eine deutlich geringere Tiefe des Einstiches 55 ist ebenfalls möglich. Dabei muss der Einstich lediglich etwa 1 mm unter den Durchmesser des Ritzelschaftes 53 beziehungsweise den Durchmesser des Lagerschulterabsatzes 56 beziehungsweise den Durchmesser des Kopfkegels 59 reichen um bereits einen positiven Einfluss auf die Riss- beziehungsweise Bruchverhinderung zu besitzen. Die optimale Geometrie des Einstiches 55 kann im Einzelfall, abhängig von der jeweiligen Konstruktion durch Berechnungen oder Versuche bestimmt werden.

Die Rundungsradien in den beiden Ecken 57 und 58 des Einstiches 55 sollen größer als 1mm ausgeführt werden. Ein voll ausgerundeter Grund des Einstiches 55, der der halben Breite des Einstiches 55 entspricht, ist ebenfalls möglich. Die der Lagerschulter 54 zugewandte Seite 60 des Einstiches 55 soll, wenn es die Konstruktion erlaubt, vorteilhafterweise als Schräge ausgeführt werden. Dadurch wird eine günstigere Kraftübertragung zwischen dem Ritzelkopf 50 und dem Ritzelschaft 53 erreicht.

Claims

Patentansprüche

1. Hochübersetzendes Kegelradgetriebe mit einem Ritzel (20,50) und einem Tellerrad (21), wobei - das Ritzel (20,50) einen Ritzelkopf (20a) mit wenigstens einem und höchstens vier Ritzelzähnen (22), einen dem Ritzelkopf (20a) gegenüberliegenden Ritzelschaft (53) und einen Lagerschulterabsatz (56) aufweist, der zwischen dem Ritzelkopf (20a) und dem Ritzelschaft (53) angeordnet ist, - der Ritzelkopf (20a) an dem dem Ritzelschaft (53) abgewandten

Ende eine Zehe (51) und an dem dem Ritzelschaft (53) zugewandten Ende eine Ferse (52) aufweist,

- der Ritzelkopf (20a) als kegelige Schnecke derart ausgebildet ist, dass der Seelendurchmesser des Ritzelkopfes (20a) an der Zehe (51) kleiner ist als der Seelendurchmesser an der Ferse (52), und

- das Ritzel (20,50) und das Tellerrad (21) derart angeordnet sind, dass ein Achsversatz (26) zwischen der Ritzelachse (24) und der Tellerradachse (25) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass - der Seelendurchmesser des Ritzels (20,50) an der Ferse (52) mindestens der doppelten Zahnhöhe des Ritzelzahns (22) an der Ferse (52) entspricht, und

- das Ritzel (20,50) einen Einstich (55,61) aufweist, der zwischen der Ferse (52) des Ritzelkopfes (20a) und dem Ritzelschaft (53) angeordnet ist.

2. Kegelradgetriebe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einstich (55) zwischen der Ferse (52) des Ritzelkopfes (20a) und dem Lagerschulterabsatz (56) angeordnet ist.

3. Kegelradgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (20,50) einen Einstich (61) aufweist, der zwischen dem Ritzelschaft (53) und dem Lagerschulterabsatz (56) angeordnet ist.

4. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken der Zähne (22) des Ritzels (20,50) und/oder die Flanken der Zähne (23) des Tellerrades (21) phosphatiert sind.

5. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken der Zähne (22) des Ritzels (20,50) und/oder die Flanken der Zähne (23) des Tellerrades (21) kugelgestrahlt sind.

6. Kegel radgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken der Zähne (22) des Ritzels (20,50) und/oder die Flanken der Zähne (23) des Tellerrades (21) mit einer PVD Hartstoffbeschichtung versehen wird.

7. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der trennende Einstich (55,61) nicht einsatzgehärtet ist.

8. Kegelradgetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der trennende Einstich (55,61) nach einer zur Härtung des Ritzels

(20,50) durchgeführten Härteoperation durch Hartbearbeitung angebracht wird.

9. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des trennenden Einstichs (55,61) höchstens so groß wie der Durchmesser der Seele (34) des Ritzels (20,50) an der Ferse (52) ist.

10. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des trennenden Einstichs (55,61) mindestens 1mm kleiner als der Durchmesser des Ritzelschaftes (53) ist.

11. Kegelradgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des trennenden Einstichs (55,61) mindestens 1 mm kleiner als der Durchmesser des Lagerschulterabsatzes (56) ist.

12. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des trennenden Einstichs (55,61) kleiner als der Durchmesser der Seele (34) des Ritzels (20,50) an der Ferse (52) ist.

13. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der trennende Einstich (55,61) eine Breite von mindestens 1mm, bevorzugt von mindestens 2 mm hat.

14. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der trennende Einstich (55,61) Eckenrundungsradien aufweist.

15. Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Seiten (60) des trennenden Einstichs (55,61) unter einem vor der Senkrechten abweichenden Winkel schräg zur Ritzelachse (24) ausgebildet sind.

16. Hochübersetzendes Kegelradgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kegelradgetriebe nach dem Einzelteilverfahren und das Ritzel (20,50) im wälzenden Verfahren hergestellt sind und das Tellerrad (21) formverzahnt ist.

17. Hochübersetzendes Kegelradgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kegelradgetriebe in einem kontinuierlichen Verfahren und das Ritzel (20,50) im wälzenden Verfahren hergestellt sind und das Tellerrad (21) formverzahnt ist.

18. Verfahren zur Herstellung eines hochübersetzenden Kegelradgetriebes mit einem Ritzel und einem Tellerrad, wobei

- das Ritzel (20,50) einen Ritzelkopf (20a) mit wenigstens einem und höchstens vier Ritzelzähnen (22), einen dem Ritzelkopf (20a) gegenüberliegenden Ritzelschaft (53) und einen Lagerschulterabsatz (56) aufweist, der zwischen dem Ritzelkopf (20a) und dem Ritzelschaft (53) angeordnet ist,

- der Ritzelkopf (20a) an dem dem Ritzelschaft (53) abgewandten Ende eine Zehe (51) und an dem dem Ritzelschaft (53) zuge- wandten Ende eine Ferse (52) aufweist,

!

- das Ritzel (20,50) und das Tellerrad (21) derart angeordnet sind, dass ein Achsversatz (26) zwischen der Ritzelachse (24) und der

Tellerradachse (25) gebildet wird,

- der Seelendurchmesser des Ritzels (20,50) an der Ferse (52) mindestens der doppelten Zahnhöhe des Ritzelzahns (22) an der Ferse (52) entspricht, und - das Ritzel (20,50) einen Einstich (55,61) aufweist, der zwischen der Ferse (52) des Ritzelkopfes (20a) und dem Ritzelschaft (53) angeordnet ist. bei welchem das Ritzel (20,50) und das Tellerrad (21) einer Einlaufprozedur unterzogen werden, bei der mit einem Bruchteil des Nenndrehmoments, vorzugsweise mit höchstens einem Viertel des Nenndrehmoments, begonnen wird und eine Änderung des Drehmoments stattfindet.

19. Kegelradgetriebe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steigerung des Drehmoments während des Einlaufens in mehreren Stufen, vorzugsweise beginnend bei kleinen Lasten, vorge- nommen wird.

20. Kegelradgetriebe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass es bei jeder Laststufe abwechselnd in die eine Drehrichtung und anschließend die entgegengesetzte Drehrichtung jeweils für einige Minuten betrieben wird.

21. Kegelradgetriebe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Hoch- und Runterlauf beim Wechsel der Drehrichtung durch Abschalten einer Antriebsmaschine mit oder ohne zusätzliches Bremsmoment erfolgt.

22. Kegelradgetriebe nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlaufen stufenlos, vorzugsweise beginnend bei kleinen Lasten, vorgenommen wird.

23. Hochübersetzendes Kegelradgetriebe, herstellbar nach einem der Ansprüche 18 bis 22.