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Die Erfindung betrifft ein Zahnradgetriebe, umfassend mindestens zwei miteinander kämmende Stirnräder mit Schrägverzahnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Bei Stirnradstufen mit Schrägverzahnung treten Axialkräfte auf, welche durch entsprechend dimensionierte Axiallager aufgenommen werden müssen. Hierfür werden häufig Kegelrollenlager verwendet, die einerseits relativ teuer sind und andererseits eine relativ hohe Wärmentwicklung aufweisen. Man hat daher bereits vorgeschlagen, anstelle der kostenaufwändigen Axiallager so genannte Druckkämme an den Stirnrädern mit Schrägverzahnung anzuordnen, wodurch die Axialkräfte aufgenommen werden. In dem Fachaufsatz „Hydrodynamische Axialkraftübertragung bei Wellen schnelllaufender Getriebe" von H. Langer, veröffentlicht in der Zeitschrift Konstruktion 34 (1982) Heft 12, Seite 473 - 478 sind derartige Druckkämme beschrieben. Der bekannte Druckkamm wird als separates, ringförmig ausgebildetes Einzelteil (Druckring) hergestellt und mit dem betreffenden Stirnrad gefügt, wobei die Befestigung zwischen Stirnrad und Druckring im Allgemeinen durch eine Schrumpfpassung erfolgt. Der Druckring, der mittig oder stirnseitig am Stirnrad befestigt wird, weist bevorzugt kegelförmig ausgebildete Anlaufflächen auf, welche sich an entsprechenden Anlaufflächen des Gegenrades, z. B. den Nutflanken einer Ringnut am Gegenrad abstützen. Zwischen den Anlaufflächen bildet sich ein Schmierfilm aus. Nachteilig bei den bekannten als zusätzliches Bauteil hergestellten Druckringen oder Druckkämmen ist die nicht immer zuverlässige Befestigung auf dem Stirnrad. Infolge Fliehkrafteinwirkung während des Betriebes kann es zu einem Lockern oder Lösen des Schrumpfsitzes kommen.
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Durch die
DE 1 215 463 wurde ein Zahnradgetriebe mit einem schräg verzahnten Ritzel bekannt, auf welches mittig ein Ring mit konischen Anlageflächen aufgeschrumpft ist. Die konischen Anlageflächen laufen gegen Nutflanken einer Ringnut, welche mittig in den beiden Gegenrädern, die mit dem Ritzel kämmen, angeordnet sind. Der Ring, der auch als Druckkamm bezeichnet werden kann, nimmt die aus der Schrägverzahnung resultierenden Axialkräfte auf, sodass entsprechende Axiallager entfallen können.
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Durch die
DE 30 22 020 C2 wurde ein Stirnradgetriebe mit Schrägverzahnung bekannt, wobei auf einem Ritzel ein Druckring befestigt ist, welcher in eine Umfangsnut eines mit dem Ritzel kämmenden Stirnrades eingreift. Der Druckring weist eine Innenverzahnung auf, welche über eine Außenverzahnung des Ritzels geschoben und in seiner Endstellung, in einer Ringnut des Ritzels, in Umfangsrichtung verdreht wird, sodass eine formschlüssige Sicherung des Druckringes in axialer Richtung auf dem Ritzel erreicht wird. Der Druckring weist seitliche konische Gleitflächen auf, welche radial außerhalb des Kopfkreises der Ritzelverzahnung angeordnet sind. Andererseits ist die Umfangsnut, in welche der Druckring eingreift, radial innerhalb der Verzahnung des Großrades angeordnet. Die Gleitflächen von Druckring und Umfangsnut liegen somit außerhalb bzw. innerhalb der Verzahnungen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zahnradgetriebe der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass die aus der Schrägverzahnung resultierenden Axialkräfte möglichst ohne Axiallager sicher und dauerhaft aufgenommen werden können.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist der als Druckring fungierende Ring als Spiralring mit mindestens einer Windung ausgebildet, wobei sich eine Windung über einen Umfangswinkel von 360° erstreckt. Die Stoßenden der Windungen sind „eingeebnet“, sodass sich auf beiden Seiten des Ringes eine glatte Anlagefläche ergibt. Der Vorteil des Spiralringes besteht insbesondere darin, dass der Ring einteilig ausgebildet ist, aber dennoch aufgrund seiner federelastischen Ausbildung als Spiralring auf dem ersten Stirnrad kostengünstig und einfach montiert werden kann.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Stirnrad im Bereich der Verzahnung eine Ringnut auf, welche den Spiralring aufnimmt. Dabei entspricht der Außendurchmesser des Spiralringes etwa dem Kopfdurchmesser der Verzahnung und der Innendurchmesser des Spiralringes etwa dem Fußkreisdurchmesser der Verzahnung. Vorteilhaft ist, dass sich die Ringnut leicht in die Verzahnung des ersten Stirnrades einarbeiten und der Spiralring einfach durch Einfädeln in die Ringnut einsetzen lässt. Durch diese Bemessung und Anordnung des Spiralringes werden die aus der Schrägverzahnung resultierenden Axialkräfte innerhalb der Verzahnung übertragen, d. h. etwa im Bereich zwischen Fußkreis- und Kopfkreisdurchmesser.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Spiralring in einer Ringnut, die in die Verzahnung eingearbeitet ist, fest aufgenommen. Bevorzugt entspricht die Ringhöhe des Spiralringes der Zahnhöhe der Verzahnung. Die Übertragung der Axialkräfte findet somit im Bereich der Verzahnung zwischen Kopf- und Fußkreisdurchmesser statt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sitzt der Spiralring mit einer radialen Vorspannung auf dem Nutgrund der Ringnut und ist somit gegen Verdrehen und eine radiale Aufweitung infolge von Fliehkraftwirkung gesichert.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die mindestens eine Windung des Spiralringes einen Rechteckquerschnitt auf. Damit ergeben sich einerseits eine günstige Anlage des Spiralringes an den Nutflanken und andererseits ein hohes Widerstandsmoment in radialer Richtung.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Rechteckquerschnitt lange und schmale Seiten auf, wobei die Windungen mit den langen Seiten mit elastischer Vorspannung in axialer Richtung dicht aneinander liegen. Damit ergibt sich eine kompakte Ringstruktur.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Ring und die Ringnut etwa in der Mitte der Zahnbreite angeordnet. Möglich ist jedoch auch -je nach Größe der auftretenden Axialkräfte - mehrere Spiralringe und Ringnuten in Richtung der Zahnbreite anzuordnen. Damit verteilen sich die Axialkräfte auf mehrere Spiralringe, die damit geringer belastet werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Ringnut des zweiten Stirnrades in dessen Verzahnung eingebracht, d. h. die Tiefe der Ringnut in radialer Richtung entspricht etwa der Zahnhöhe der Verzahnung. Damit weist die Ringnut des zweiten Stirnrades etwa die gleiche Tiefe wie die Ringnut des ersten Stirnrades auf, sodass die Axialkräfte über die Verzahnung übertragen werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
- 1 ein erfindungsgemäßes Stirnradpaar mit Spiralring,
- 2 den erfindungsgemäßen Spiralring,
- 2a eine vergrößerte Einzelheit A,
- 2b eine vergrößerte Einzelheit B,
- 3 eine Ansicht in axialer Richtung auf das erfindungsgemäße Stirnradpaar,
- 4 einen Schnitt in der Ebene IV-IV in 3,
- 5 einen Schnitt in der Ebene V-V in 3,
- 6 einen Schnitt in der Ebene VI-VI in 3,
- 7 eine Einzelheit A aus 3 und
- 8 eine Einzelheit B aus 6.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines Stirnradpaares mit einem ersten Zahnrad 1 und einem zweiten Zahnrad 2, welche miteinander in Zahneingriff stehen. Beide Zahnräder 1, 2 weisen jeweils Schrägverzahnungen 3, 4 auf, aus welchen Axialkräfte resultieren. Das erste Zahnrad 1 weist im Bereich der Verzahnung 3 eine etwa mittig angeordnete erste Ringnut 5 auf, in welche ein Spiralring 6 fest eingesetzt ist. In die Verzahnung 4 des zweiten Stirnrades 2 ist eine zweite Ringnut 7 eingearbeitet, in welche der Spiralring 6 gleitend eingreift. Die aus der Schrägverzahnung resultierenden Axialkräfte werden somit über den Spiralring 6 kompensiert, sodass keine speziellen Axiallager zur Aufnahme dieser Axialkräfte erforderlich sind.
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2 zeigt einen Spiralring 8, welcher dem Spiralring 6 in 1 entspricht, als Einzelteil in Ansichten von vorn, von oben und von der Seite. Die 2a, 2b zeigen eine vergrößerte Einzelheit A und eine vergrößerte Einzelheit B. 2a zeigt, dass der Spiralring 8 zwei Windungen, eine erste Windung 9 und eine zweite Windung 10 aufweist, welche dicht aneinander liegen. Beide Windungen 9, 10 liegen im Wesentlichen in parallelen Ebenen und sind durch einen schräg von eine Windungsebene zur anderen Windungsebene verlaufenden Übergang 11 miteinander verbunden. Im Bereich des Überganges 11 sind die Stoßenden 9a, 10a der ersten Windung 9 und der zweiten Windung 10 fluchtend zu den Außenflächen der Windungen 9, 10 angeordnet. Damit ergeben sich glatte Außen- und Anlageflächen für den Spiralring 8. 2b zeigt einen Querschnitt der beiden Windungen 9, 10, welcher etwa rechteckförmig ausgebildet ist. Der Rechteckquerschnitt weist kurze Seiten a und lange Seiten b auf, wobei die langen Seiten b etwas ballig ausgebildet sind. Der Spiralring 8 kann aus einem Federstahlbandmaterial mit rechteckförmigem Querschnitt gewickelt werden, wobei die Windungen 9, 10 mit elastischer Vorspannung aneinander anliegen. Der Spiralring 8 kann auch mehr als die dargestellten zwei Windungen aufweisen.
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3 zeigt ein aus einer Stirnradstufe bestehendes Zahnradgetriebe 12 mit einem ersten Stirnrad 13 und einem zweiten Stirnrad 14. Beide Stirnräder 13, 14 weisen eine Schrägverzahnung auf. Das erste Zahnrad 13 weist einen Spiralring 15 auf, welcher den oben beschriebenen Spiralringen 6, 8 entspricht Der Spiralring 15 dient der Aufnahme von Axialkräften aus der Stirnverzahnung.
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4 zeigt einen Axialschnitt in der Ebene IV-IV durch das zweite Stirnrad 14 mit einer Schrägverzahnung 16, in welche eine Ringnut 17 in der Mitte der Zahnbreite eingearbeitet ist. Das zweite Stirnrad 14 ist über eine Welle 18 in Zylinderrollenlagern 19 gelagert, d. h. es sind keine Axiallager zur Aufnahme der Axialkräfte erforderlich.
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5 zeigt einen Schnitt in der Ebene V-V durch das erste Stirnrad 13, welches über Zylinderrollenlager 20 gelagert ist - auch hier sind also keine Axiallager erforderlich. Dies ergibt den Vorteil einer höheren Lebensdauer der Lager gegenüber Kegelrollenlagern zur Aufnahme von Axialkräften. Man erkennt auf dem zweiten Stirnrad 14 die Schrägverzahnung 16 und die mittig angeordnete Ringnut 17.
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6 zeigt einen Schnitt in der Ebene VI-VI durch beide Stirnräder 13, 14, wobei die Lagerung beider Zahnräder 13, 14 über Zylinderrollenlager 19, 20 erkennbar ist. Das erste Stirnrad 13 weist eine mittig angeordnete Ringnut 21 auf, in welcher der Spiralring 15 fest aufgenommen ist.
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7 zeigt eine in 6 eingekreiste Einzelheit B in vergrößerter Darstellung. Der Spiralring 15 ist fest auf dem ersten Stirnrad angeordnet, und zwar mit einer radial gerichteten Vorspannung. Der Spiralring 15 weist eine Höhe H, d. h. eine Erstreckung in radialer Richtung auf, die etwa der Höhe h der Verzahnung entspricht. Insofern werden die Axialkräfte im Bereich der Verzahnung übertragen.
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8 zeigt eine Einzelheit B aus 6, d. h. einen Schnitt durch die Schrägverzahnungen der Stirnräder 13, 14. Der Spiralring 15 wird einerseits von der Ringnut 21 im ersten Stirnrad 13 fest aufgenommen und gleitend andererseits in der Ringnut 17 des zweiten Stirnrades 14. Auf diese Weise stützen sich die Axialkräfte über den Spiralring 15 gegeneinander ab und kompensieren sich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Zahnrad
- 2
- zweites Zahnrad
- 3
- Verzahnung
- 4
- Verzahnung
- 5
- erste Ringnut
- 6
- Spiralring
- 7
- zweite Ringnut
- 8
- Spiralring
- 9
- erste Windung
- 9a
- Stoß
- 10
- zweite Windung
- 10a
- Stoß
- 11
- Übergang
- 12
- Zahnradgetriebe
- 13
- erstes Stirnrad
- 14
- zweites Stirnrad
- 15
- Spiralring
- 16
- Schrägverzahnung
- 17
- Ringnut
- 18
- Welle
- 19
- Zylinderrollenlager
- 20
- Zylinderrollenlager
- 21
- Ringnut
- a
- schmale Seite
- b
- lange Seite
- H
- Ringhöhe
- h
- Zahnhöhe
