AT393717B - Verzahnung zur loes- und verschiebbaren verbindung sowie drehmomentuebertragung zwischen zwei koaxial ineinander angeordneten bauteilen - Google Patents

Description

AT 393 717 B

Die Erfindung betrifft eine Verzahnung zur Übertragung eines Drehmomentes zwischen zwei koaxial ineinanderliegenden Bauteilen, z. B. einem Wellenteil und einem Nabenteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Verzahnungen dieser Art sind seit langem bekannt und in den DIN 5461 bis 5465 sowie 5480 festgehalten.

Diese Verzahnungen werden üblicherweise durch Abwälzfräsen, durch Stoßen oder Räumen hergestellt. Durch 5 diese spanabhebende Herstellung lassen sich vor allem massive Bauteile sehr präzise herstellen. Häufig wird eine solche Verzahnung auch für Konstruktionen gewählt, bei denen zwar das Wellenteil massiv, das nabenseitige Teil aber aus mehreren dünnen Blechscheiben besteht, beispielsweise in Lamellenkupplungen, deren Lamellen im Betrieb axial auf der Welle verschiebbar sein müssen. Kupplungen dieser Art sind außer in Getrieben auch häufig im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor angeordnet. An diese Kupplungen werden auf-10 grund des typischen Drehschwingungsverhaltens des Motors besondere Anforderungen an Genauigkeit und Geräuschficeiheit gestellt.

Die aus der DIN 5461 bekannte Verzahnung weist gerade Flanken auf, und zwar sowohl an der Welle als auch der Nabe, wobei die Zahnflanken zueinander parallel sind. Bei Verzahnungen von zwei Teilen, die nicht fest aufeinander ruhen sollen, wie z. B. ein Flansch auf einer Getriebewelle, sondern axial beweglich bleiben sollen, ist 15 Spiel in der Verzahnung erforderlich. Dadurch aber kommen nach Überwindung des Spiels die beiden Flanken, die nur im Idealfall parallel sind, unter spielbedingtem Verdrehwinkel aufeinander. Da außerdem die beiden Teile stets mit gleichen Eingriffswinkeln versehen sind, findet die Berührung nur an den Kanten statt oder auf größerer Fläche bei entsprechender Verformung oder eingetretenem Verschleiß, insbesondere dann, wenn die Verzahnung mit Innen- oder Außenzentrierung gefertigt ist 20 Aus der DIN 5480 ist eine Verzahnung mit Evolventenprofil bekannt mit einem trapezförmigen Bezugsprofil, welches bei Herstellung im Abwälzverfahren auf dem Wellenteil eine evolvente Zahnflanke erzeugt. Beim Nabenteil, das im Falle der Lamellenkupplung wieder aus dünnen Scheiben besteht, muß das Stanzwerkzeug ein genau zum Wellenzahn passendes Profil aufweisen. Auch bei dieser Verzahnung, die ebenfalls für Außen-, Innen- oder Flankenzentrierung herstellbar ist, kommt es, bedingt durch das erforderliche und herstellungsbedingte Spiel, bei 25 Übertragung von Drehmoment zum einseitigen Tragen an Kanten, weil sowohl das Wellen- als auch das Naben profil dieselbe Kontur nach Norm aufweisen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß diese Verzahnungen, im Gegensatz zu einer Laufverzahnung von Zahnrädern, mehr und kleinere Zähne aufweisen und gänzlich andere 7ahnfhrm erhalten, insbesondere die Innenverzahnung des Nabenteils. Der Zahn hat kleine Ausrundungsradien an Fuß und Kopf. Dies erfordert ein teueres und empfindliches Stanzwerkzeug, und trotzdem lassen sich die Nabenteile nur 30 mit großen Toleranzen und nachteiliger Verformung im Bereich der Schnittkanten (Stanzeinzug) herstellen. Größere Genauigkeit beider Teile erfordert teuere spanabhebende Nacharbeit Zu großes Spiel in der Kupplung ist die Ursache von unangenehmen Klappergeräuschen und vorzeitigem Verschleiß.

Bekannt ist eine Verzahnung zur Übertragung eines Drehmomentes ferner aus der FR-PS 1 560 270. Die Zahnfianken weisen jedoch keine ebene Fläche auf, sondern bestehen aus Bögen, wobei der Fußkreis unmittelbar 35 in den Kopfkreis übergeht Zwischen dem Naben- und dem Wellenteil kann nur Linienberührung stattfinden.

Aus der DE-AS 26 36 382 ist eine Verzahnung bekannt deren Zähne jeweils aus zwei unter einem Winkel stehenden Flankenteilen bestehen, wobei weder am Kopf noch am Fuß oder an der Knickstelle zwischen den Flankenteilen ein Übergangsradius vorhanden ist Mit dieser Verzahnung soll bewußt keine Flächenberührung sondern Linienberührung zwischen dem Naben- und Wellenteil stattfinden. 40 In der US-PS 2,969250 ist eine Verzahnung offenbart die ebenfalls nur gekrümmte Zahnflank»! aufweist und daher nur Linienberührung erlaubt

Diese zuletzt genannten Entgegenhaltungen betreffen insbesondere Sechskantköpfe von Schrauben und erfüllen daher nicht die an Wellen-Nabe-Verbindungen gestellten Anforderungen bezüglich Zentriergenauigkeit Flankentragfähigkeit und Verschleißfestigkeit 45 Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verzahnung für zwei koaxial ineinanderliegende relativ zueinander verschiebbare Bauteile zur Übertragung eines Drehmomentes zu schaffen, die die genannten Nachteile umgeht eine hohe Tragfähigkeit und gute Zentriergenauigkeit aufweist und sich mit engen Toleranzen wirtschaftlich herstellen läßt

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst Erfindungsgemäß wird eine Verzahnung 50 vorgeschlagen mit einem niedrigen und breiten Zahn mit geraden Flanken, großen Ausrundungsradien im Kopf-und Fußbereich und großem Eingriffswinkel. Aus diesen Merkmalen »gibt es sich, daß die Teilung der Verzahnung stets verhältnismäßig groß ist vorzugsweise größer als das 3-fache der Zahnhöhe.

Gemäß der Erfindung betragen die Ausrundungsradien am Zahnfuß und am Zahnkopf jeweils das 1- bis 2-fache der Zahnhöhe. Bei den bekannten Verzahnungen ist dagegen immer nur ein verhältnismäßig klein» Ausrun-55 dungsradius vorhanden, der unabhängig von der Zahnhöhe gewählt ist Der Flankenwinkel liegt gemäß der Erfin dung zwischen 50 und 70°, vorzugsweise zwischen 55 und 65°, also ungefähr doppelt so hoch wie bei bekannten Verzahnungen.

Erfindungswesentlich ist fern», daß der Eingriffswinkel der nabenseitigen Zähne geringfügig kleiner ist als derjenige d» wellenseitigen Zähne. Der Unterschied zwischen den Eingriffswinkeln ist so gewählt daß eine 60 Berührung der Zähne entlang der ganzen geraden Flanken beider Teile erst dann zustande kommt wenn das »for derliche und h»stellungsbedingte Flankenspiel nach Einwirkung des Drehmomentes zwischen den Teilen überwund»! ist d. h. wenn eine spielbedingte Verdrehung beider Teile eingetreten ist -2-

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Die mit diesen Parametern hergestellte Verzahnung weist folgende Vorteile auf: Es handelt sich um eine flankenzentrierte Verzahnung mit besonders hoher Tragfähigkeit, bei der die Umfangskraft vollflächig über große ebene Flächen an den Zahnflanken übertragbar ist Die Zähne unterliegen dank der stumpfen Zahnform und der großen Ausrundungsradien am Zahnfuß nur geringer Verformung, was zu sehr hoho: Daunfestigkeit und Zentriergenauigkeit sowie geräuscharmem Betrieb führt. Aufgrund der großen Zahnteilung und Ausrundungsradien besteht die Möglichkeit, die Verzahnung mittels eines Schaftfräsers herzustellen, dessen Drehachse parallel zur Verzahnungsachse liegt Bei dieser Fertigungsmethode, für die sich programmgesteuerte Maschinen gut eignen, ist es nicht mehr erforderlich, am Ende der Verzahnung einen Auslauf für einen Abwälzfräser üblicher Art oder ein Stoßweikzeug vorzusehen, was zu einer Verkürzung der Bauteile und konstruktiven Vereinfachung führt Wählt man zur Herstellung des näbenseitigen Teils - sofern es sich um ein Paket aus dünnen Blechlamellen handelt - wiederum das Stanzverfahren, so ergibt sich auch hier eine bessere Fertigungsqualität durch kleinere Verformung an den Kanten infolge der stumpfen Zahnform und des großen Fußausrundungsradius und somit höhere Tragfähigkeit der Berührfläche, ferner ein einfacheres Stanzwerkzeug mit längerer Gebrauchsdauer.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel zeigt, näher erläutert

Es zeigen Fig. 1 den geometrischen Aufbau der Verzahnung, Fig. 2 die Verzahnung mit Flankenspiel und Fig. 3 die Verzahnung in einer Mittellage, nach Verdrehung um den Winkel (b/2).

In Fig. 1 ist der geometrische Aufbau der erfindungsgemäßen Verzahnung mit einer Welle (1) und einem wellenseitigen Zahn (2) sowie einer Nabe (3) und einem nabenseitigen Zahn (4) in der Ausführungsform mit unendlicher Zähnezahl, d. h. in geradliniger Strecklage (Abwicklung) ohne Flanken spiel nach Art einer Zahnstange im Querschnitt senkrecht zur Wellenachse dargestellt Der größte Außendurchmesser (D) ist vom Bauraum in der Nabe (3), und der kleinste Innendurchmesser (d) von der Welle (1) bestimmt Die Zahnhöhe (h) ist dann bestimmt durch die halbe Differenz zwischen dem Außendurchmesser (D) und dem Innendurchmesser (d). Mit (T) ist die Teilung der Verzahnung bezeichnet die größer ist als das Dreifache der Zahnhöhe (h), ein vorteilhafter Wert ist die fünffache Zahnhöhe (h). Der Zahnkopf ist mit einem einzigen Kopfradius (5), der Zahnfuß mit einem einzigen Fußradius (6) ausgerundet wobei theoretisch der Fußradius der Welle dem Kopfradius der Nabe und umgekehrt entspricht Beide Kopf- bzw. Fußradien (5,6) sind durch eine gerade Zahnflanke (7) verbunden, die sich jeweils tangential an die beiden Radien anschließt Beide Ausrundungsradien (5,6) betragen das Ein- bis Zweifache, vorzugsweise das Eineinhalbfache der Zahnhöhe (h). Die Zahnflanke (7) am nabenseitigen und wellenseitigen Zahn steht durch Anwendung dieser Parameter unter einem Eingriffswinkel (a), der zwischen 45 und 70°, vorzugsweise zwischen 55 und 65° liegt Den unteren Grenzwat für den Fußradius (6) bildet der Durchmesser des Fräsers bzw. Werkzeuges, mit dem die Verzahnung hergestellt wird. Der obere Grenzwert ist gegeben durch den geometrischen Zusammenhang, daß die Zahnflanke, die die Tangente zwischen dem Kopf- und Fußausrundungsradius bildet mit zunehmenden Radien (5,6) kürzer wird. Die Radien (5,6) sind so gewählt daß zwischen den Einmündungspunkten (8) der Radien (5,6) in die Flanke (7) eine Gerade und somit am ganzen Zahn eine Fläche entsteht, deren radiale Erstreckung (r) ca. 0,6 mal die Zahnhöhe (h) beträgt Diese Fläche ist eben und stellt die eigentliche Berührfläche dar, über die die Umfiangskraft vollflächig von der Welle auf die Nabe übertragen werden kann.

Um ein ausschließliches Tragen da Verzahnung nur an den Flanken (7) zu gewährleisten und zu verhindern, daß zwischen dem Kopfbereich z. B. der Wellenzähne (2) und dem Fußbereich der Nabenzähne (4) eine Berührung stattfindet können die Kopf- und Fußradien (5,6) unterschiedlich ausgeführt werden. Es ist möglich, eine Kopf kürzung vorzunehmen, z. B. an der Welle (1) auf den Durchmesser (9), wobei die Kürzung so erfolgt daß da- gerade Bereich der Flanke (7) in voller Erstreckung erhalten bleibt Diese Kürzung eignet sich vorzugsweise für die wellenseitigen Zähne. Eine andere Form der Kopfkürzung besteht darin, am Einmündungspunkt (8) des Kopfradius (5) einen kleinen Radius (10) anzufügen, dem sich ein geradliniger Teil (11) bis zur Zahnmitte anschließt und sich symmetrisch zur rückseitigen Flanke (7) fortsetzt Diese Form der Kopfkürzung eignet sich vor allem für die nabenseitigen Zähne (4) insbesondere dann, wenn die Nabe aus einem Paket aus dünnen gestanzten Blechlamellen besteht Vorzugsweise wird der Radius (10) gleich oder größer ausgeführt als die Blechstärke der einzelnen Blechlamellen. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß sich nur ein kleiner Stanzeinzug, d. h. Verformung an den gestanzten Blechkanten bildet, was wiederum zur Erhöhung des tragenden Flächenanteiles führt Da im Gegensatz zum Stand der Technik zwischen den Flanken (7) beider Bauteile eine vollflächige Berührung stattfindet, ist auf diese Weise Raum geschaffen für ein Schmiermittel und die Ablage von Schmutzteilchen.

Fig. 2 zeigt eine detailliertere und der praktischen Ausführung nahekommende Darstellung des Flankenbereichs zwischen Welle (1) und Nabe (3) gerundet in der Anordnung um eine zentrale Achse. Dargestellt ist der Zustand, bei dem sich auf der einen Seite des Zahnes (2) die Flanken (7) der Nabe und Welle flächig berühren, während auf der anderen Seite das volle Flankenspiel (12) richtbar ist Der Zahn (2) der Welle (1) weist eine Zahnform auf, die den zu Hg. 1 beschriebenen Parametern entspricht Zwischen dem wellenseitigen Zahn (2) und dem nabenseitigen Zahn (4) ist ein für die Funktion der Verzahnung erforderliches und auch herstellungsbedingtes Flankenspiel (12) vorhanden. Dies äußert sich durch eine relative Verdrehmöglicbkeit zwischen Welle und Nabe. Einem Verdrehwinkel (b) entspricht aber eine Abweichung von der parallelen Lage seitens beider einander zugehöriger Flanken (7) der wellen- und nabenseitigen Zähne (2 und 4). Werden beide Teile mit geome- -3-

Claims (6)

1. AT 393 717 B irisch identischen Zähnen hergestellt, so ist ein absolut ganzflächiger Kontakt zwischen den Flanken (7) nicht möglich, es «folgt Linienberührung mit deren Nachteilen. Gemäß der Erfindung sind die wellenseitigen Zähne (2) gegenüber der Lücke zwischen den nabenseitigen Zähnen (4) mit einem größeren Eingriffswinkel (a) versehen, der die relative Verdrehung der Teile (1 und 3) unter Überwindung des Flankenspiels (12) unter der Wirkung des Drehmoments berücksichtigt. Dabei setzt sich der Eingriffswinkel (a) des wellenseitigen Zahnes (2) zusammen aus dem Eingriffswinkel (c) zwischen zwei nabenseitigen Zähnen und dem halben Verdrehwinkel, also (b/2). Ist das Flankenspiel (12), also der ganze Verdrehwinkel (b), überwunden, decken sich die Flanken (7) der sich berührenden naben- und wellenseitigen Zähne auf ihrer ganzen Länge. Die Wahl der Größe des Flankenspiels (12) (entsprechend dem Winkel (b)), welches dem doppelten Wert des Unterschiedes zwischen dem Eingriffswinkel (a) und dem Eingriffswinkel (c) entspricht, hängt ab von der Fertigungsgüte der Nabenverzahnung (4) und der Wellenverzahnung (2) sowie einem gewünschten Minimalspiel zwischen beiden Teilen. Durch die Berücksichtigung des Flankenspiels (12) bei der Festlegung des Eingriffswinkels (c) an den nabenseitigen Zähnen (4) aber kommt die hohe Zentriergenauigkeit und das gute Tragverhalten zustande, das diese Verzahnung auszeichnet. Fig. 3 zeigt darüber hinaus die Verzahnung in einer Mittellage, bei der zwischen den Flanken (7) jeweils der halbe Verdrehwinkel (b/2) vorliegt. Angegeben sind ferner die in der praktischen Ausführung unterschiedlichen Eingriffswinkel (a und c). Die Flanken (7) der wellen- und nabenseitigen Zähne (2 und 4) kommen nach Verdrehung um den Winkel (b/2) zu vollflächiger Berührung aufeinander. Im Gegensatz hierzu zeigt die Fig. 1 wie beschrieben die Verzahnung ohne Flankenspiel in gestreckter Lage, wobei der Eingriffswinkel (a) dieselbe Größe hat wie der Eingriffswinkel (c). Während die in der DIN-Norm festgelegten Verzahnung von einem festen Bezugsprofil mit unveränderlichem Eingriffswinkel ausgeht, bedient sich die Erfindung einer auf den Einsatzfall speziell zugeschnittenen Zahnform. Der Eingriffswinkel (a, c) hat keinen festen Wert, sondern ist eine von dem zwischen den Außen- und Innendurchmessern (D und d) zur Verfügung stehenden Bauraum sowie den Radien (5,6) und der Zähnezahl abhängige Größe. Ferner werden die Abrundungsradien für den Zahnkopf und den Zahnfuß so gewählt, daß zwischen der tangential wirkenden Umfangskraft bei Einwirkung eines Drehmoments und der Flanke (7) ein Winkel zustandekommt, der größer als der Reibungswinkel ist. Dadurch wird ein Verkeilen z. B. des wellenseitigen Zahnes (2) in der zugehörigen Lücke der Nabe (3) und die dabei auf tretende Selbsthemmung vermieden. Die Nabe (3) behält dadurch auf der Welle (1) ihre uneingeschränkte axiale Beweglichkeit. PATENTANSPRÜCHE 1. Verzahnung zur lös- und verschiebbaren Verbindung sowie Drehmomentübertragung zwischen zwei koaxial ineinander angeordneten Bauteilen, z. B. einem wellenseitigen Innenteil, das den kleinsten Außendurchmesser, und einem nabenseitigen Außenteil, das den größten Innendurchmesser der Verzahnung bestimmt, ferner mit einer Anzahl Zähnen, deren Zahnhöhe von den genannten Durchmessern abhängt und die gerade Zahnflanken aufweisen, die unter einem Eingriffswinkel zueinander stehen sowie Fuß- und Kopfausrundungsradien aufweisen, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) der Ausrundungsradius am Zahnfuß oder Zahnkopf beträgt das 1- bis 2-fache der Zahnhöhe (h); b) der Eingriffswinkel (a) liegt im Bereich zwischen 45 und 70°; c) zwischen den Zähnen (2) des wellenseitigen Teils (1) und den Zähnen (4) des nabenseitigen Teils (3) ist ein Flankenspiel (12) vorhanden, und der Eingriffswinkel (a) der Wellenverzahnung (2) ist um einen Betrag, der dem halben Verdrehwinkel (b) bei Überwindung des Flankenspiels (12) zwischen Welle (1) und Nabe (3) entspricht, größer als der Eingriffswinkel (c) der Nabenverzahnung (4).
2. 2. Verzahnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken (7) zweier benachbarter Zähne (2,4) eines der beiden Bauteile durch einen einzigen gemeinsamen Ausrundungsradius (5,6) verbunden sind.
3. 3. Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriffswinkel (a) so gewählt ist, daß bei der Verdrehung und unter der Wirkung des Drehmomentes keine Veikeilung zwischen Welle (1) und Nabe (3) durch Selbsthemmung eintritt.
4. 4. Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriffswinkel (a) zwischen 55 und 65° liegt. -4- AT 393 717 B
5. 5. Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Zahnhöhe (h) zum größten Außendurchmesser (D) zwischen 1:20 und 1: SO liegt.
6. 6. Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (T) größer ist als das 3-fache der Zahnhöhe (h). 10 Hiezu 2 Blatt Zeichnung«! -5-