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Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Zahnradpaare mit variierendem Eingriffswinkel unter den Zähnen auf einem einzigen Zahnrad.
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Hintergrund
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Zahnradgeräusche sind ein verbreitetes Problem, für das seit Jahrzehnten Lösungen gesucht werden. Rasseln ist vorherrschend, wenn sich ineinandergreifende Zähne wegen Trennung zwischen den Zähnen gegenseitig anstoßen. Rasseln kann durch Minimieren von Zahnspiel reduziert werden. Bei Betrieb führen die Kontraktierkräfte zu Vibrationen beim Zahnradpaar aufgrund der Frequenzen von ineinandergreifenden Zähnen. Wenn Zahnspiel minimiert wird, nimmt Heulen zu. Während Drehung der Gegenräder entwickelt sich eine Grundfrequenz, die mit jedem Zahneingriff verstärkt wird. Eine Lösung besteht darin, ein Scherengetriebe zu verwenden, bei dem ein Zahnradpaar zwei Räder mit derselben Anzahl von Zähnen aufweist, wobei die Zähne aber durch Federbelastung leicht voneinander versetzt sind. Das Spiel wird durch die Zähne der federbelasteten Räder aufgenommen. Das Problem des Heulens wird damit jedoch nicht gelöst. Außerdem bringt eine derartige Lösung Komplikationen und zusätzliche Teile mit sich. Eine kostengünstige Lösung gegen Zahnradheulen, insbesondere bei Anwendungen, bei denen die Geräusche von sich in der Nähe befindenden Menschen wahrgenommen werden, wie zum Beispiel bei Automobilanwendungen, ist wünschenswert.
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Kurzfassung
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Eine Kurbelwelle, die die Grundfrequenz der Vibration durch Einführen anderer Frequenzen reduziert, stellt eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar. Eine offenbarte Ausführungsform weist einen Zahnradsatz mit einem ersten Rad, das über einen ersten Abschnitt von Zähnen mit einem ersten Eingriffswinkel und einen zweiten Abschnitt von Zähnen mit einem zweiten Eingriffswinkel verfügt, und einem zweiten Rad, das über einen ersten Abschnitt von Zähnen mit einem ersten Eingriffswinkel und einen zweiten Abschnitt von Zähnen mit einem zweiten Eingriffswinkel verfügt, auf. Der erste Abschnitt von Zähnen des ersten Rads gelangt mit dem ersten Abschnitt von Zähnen des zweiten Rads in Eingriff. Der zweite Abschnitt von Zähnen des ersten Rads gelangt mit dem zweiten Abschnitt von Zähnen des zweiten Rads in Eingriff.
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Manche Ausführungsformen schließen außerdem einen dritten Abschnitt von Zähnen am ersten Rad mit einem dritten Eingriffswinkel und einen dritten Abschnitt von Zähnen am zweiten Rad mit dem dritten Eingriffswinkel ein.
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In manchen Fällen entspricht die Gesamtzahl von Zähnen am ersten Rad der Gesamtzahl von Zähnen am zweiten Rad; eine Anzahl von Zähnen im ersten Abschnitt von Zähnen des ersten Rads ist um eins größer als eine Anzahl von Zähnen im ersten Abschnitt des zweiten Rads; und das zweite Rad weist einen Übergangszahn auf, bei dem der Eingriffswinkel an einer ersten Seite des Zahns der erste Eingriffswinkel ist, und der Eingriffswinkel an einer zweiten Seite des Zahns der zweite Eingriffswinkel ist. Bei anderen Ausführungsformen ergibt die Gesamtzahl von Zähnen am ersten Rad dividiert durch die Gesamtzahl von Zähnen am zweiten Rad einen Quotienten von einem von: zwei, drei, vier, fünf, ein Halbes, ein Drittel, ein Viertel und ein Fünftel; die Anzahl von Zähnen im ersten Abschnitt des ersten Rads entspricht dem Quotienten mal der Anzahl von Zähnen des zweiten Rads; wenn der Quotient größer ist als eins, wird der erste Abschnitt von Zähnen am ersten Rad in gleichmäßig verteilte Bereiche geteilt, wobei die Anzahl der Bereiche gleich dem Quotienten ist; und wenn der Quotient kleiner ist als eins, wird der erste Abschnitt von Zähnen am zweiten Rad in gleichmäßig verteilte Bereiche geteilt, wobei die Anzahl der Bereiche gleich dem Kehrwert des Quotienten ist. Wenn der Quotient größer ist als eins, sind die Zähne vom ersten Abschnitt am zweiten Rad gegenseitig angrenzend; und wenn der Quotient kleiner ist als eins, sind die Zähne vom ersten Abschnitt am ersten Rad gegenseitig angrenzend.
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Bei manchen Ausführungsformen sind die Zähne vom ersten Abschnitt des ersten Rads zufällig am Außenrand des ersten Rads angeordnet; und die Zähne vom ersten Abschnitt des zweiten Rads sind so angeordnet, dass die Zähne vom ersten Abschnitt des zweiten Rads mit den Zähnen vom ersten Abschnitt des ersten Rads in Eingriff kommen, wenn die Räder gedreht werden.
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Und bei anderen Ausführungsformen sind die Zähne vom ersten Abschnitt des ersten Rads gleichmäßig am Außenrand des ersten Rads angeordnet; die Zähne vom zweiten Abschnitt des ersten Rads sind gleichmäßig am Außenrand des ersten Rads angeordnet; die Zähne vom ersten Abschnitt des zweiten Rads sind so angeordnet, dass die Zähne vom ersten Abschnitt des zweiten Rads mit den Zähnen vom ersten Abschnitt des ersten Rads in Eingriff kommen, wenn die Räder gedreht werden; und die Zähne vom zweiten Abschnitt des zweiten Rads sind so angeordnet, dass die Zähne vom zweiten Abschnitt des zweiten Rads mit den Zähnen vom zweiten Abschnitt des ersten Rads in Eingriff kommen, wenn die Räder gedreht werden.
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Eine erste Welle, eine parallel zur ersten Welle angeordnete zweite Welle, ein erster Index am ersten Rad und ein zweiter Index am zweiten Rad können ebenfalls eingeschlossen sein. Das erste Rad ist an der ersten Welle montiert. Das zweite Rad ist an der zweiten Welle montiert. Der erste und zweite Index sind ausgerichtet, wenn das Antriebsrad und das zweite Rad in Eingriff stehen.
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Ebenfalls offenbart ist ein Zahnradsatz mit einem ersten Rad, bei dem Zähne in einem ersten Sektor einen ersten Eingriffswinkel aufweisen, und Zähne in einem zweiten Sektor einen zweiten Eingriffswinkel aufweisen, und einem zweiten Rad, bei dem Zähne in einem dritten Sektor den ersten Eingriffswinkel aufweisen und Zähne in einem vierten Sektor den zweiten Eingriffswinkel aufweisen, wobei das erste und zweite Rad in Eingriff stehen. Der erste Eingriffswinkel ist nicht gleich dem zweiten Eingriffswinkel.
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Bei manchen Ausführungsformen schließt das erste Rad weiterhin einen fünften Sektor ein, in dem die Zähne einen dritten Eingriffswinkel aufweisen, und das zweite Rad schließt weiterhin einen sechsten Sektor ein, in dem die Zähne den dritten Eingriffswinkel aufweisen.
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Die Zähne des ersten Rads und des zweiten Rads, die auf einer Überlappung zwischen den beiden Sektoren sitzen, sind Übergangszähne, bei denen sich der Eingriffswinkel auf einer Seite des Zahns vom Eingriffswinkel auf der anderen Seite des Zahns unterscheidet.
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Die Anzahl der Vollzähne im ersten Sektor des ersten Rads liegt innerhalb einer der Anzahl der Vollzähne im dritten Sektor des zweiten Rads.
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In manchen Fällen weist das zweite Rad den doppelten Durchmesser des ersten Rads auf. Das zweite Rad umfasst weiterhin einen fünften Sektor, in dem die Zähne den ersten Eingriffswinkel aufweisen. Das zweite Rad umfasst weiterhin einen sechsten Sektor, in dem die Zähne den zweiten Eingriffswinkel aufweisen. Der fünfte Sektor befindet sich zwischen dem dritten und vierten Sektor. Wenn sich die Zahnräder drehen, gelangen die Zähne des ersten Sektors mit den Zähnen des dritten und fünften Sektors in Eingriff. Die Zähne des zweiten Sektors gelangen mit den Zähnen des vierten und sechsten Sektors in Eingriff.
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Der Zahnradsatz kann weiter einschließen: eine erste Welle und eine parallel zur ersten Welle angeordnete zweite Welle. Die erste Welle ist in eine zentral ausgebildete Öffnung am ersten Rad eingesetzt. Die zweite Welle ist in eine zentral ausgebildete Öffnung am zweiten Rad eingesetzt.
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Die erste Welle, die zweite Welle, die zentral ausgebildete Öffnung am ersten Rad und die zentral ausgebildete Öffnung am zweiten Rad weisen bei einigen Ausführungsformen jeweils eine Keilnut auf. Ein erster Keil ist in die Keilnuten der ersten Welle und in die Keilnut am ersten Rad eingesetzt; und ein zweiter Keil ist in die Keilnuten der zweiten Welle und in die Keilnut am zweiten Rad eingesetzt.
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Außerdem ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnradsatzes offenbart, das Bearbeiten eines ersten Rads mit einer ersten Vielzahl von Radzähnen, die einen ersten Eingriffswinkel aufweisen, und einer zweiten Vielzahl von Radzähnen, die einen zweiten Eingriffswinkel aufweisen, und Bearbeiten eines zweiten Rads mit einer ersten Vielzahl von Radzähnen, die den ersten Eingriffswinkel aufweisen, einer zweiten Vielzahl von Radzähnen, die den zweiten Eingriffswinkel aufweisen, und wenigstens einem Übergangszahn mit dem ersten Eingriffswinkel an einer Seite und dem zweiten Eingriffswinkel an der zweiten Seite, einschließt.
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Das Verfahren kann auch Bearbeiten einer dritten Vielzahl von Zähnen am ersten Rad mit einem dritten Eingriffswinkel, Bearbeiten einer dritten Vielzahl von Zähnen am zweiten Rad mit einem dritten Eingriffswinkel und Bearbeiten eines Übergangszahns an einem des ersten und zweiten Rads, wo immer eine Änderung des Eingriffswinkels auftritt, einschließen. Ein Übergangszahn ist ein Zahn, der einen Eingriffswinkel an einer Seite des Zahns und einen anderen Eingriffswinkel an der anderen Seite des Zahns aufweist.
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Die Radzähne der ersten Vielzahl des ersten Rads gelangen in Eingriff mit den Radzähnen der ersten Vielzahl des zweiten Rads, wenn sich die Räder drehen; und die Radzähne der zweiten Vielzahl des zweiten Rads gelangen in Eingriff mit den Radzähnen der zweiten Vielzahl des zweiten Rads, wenn sich die Räder drehen.
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Durch Bereitstellen eines variierenden Eingriffswinkels um den Außenrand des Rads ändert sich die Grundfrequenz und wird daher nicht durch alle Radzähne verstärkt. Der Gesamtschallpegel kann dem eines Zahnradsatzes, bei dem alle Zähne denselben
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Eingriffswinkel aufweisen, ähnlich sein, durch Verteilen der Frequenzen werden die Geräusche aber für Menschen angenehmer.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt zwei getrennte Räder;
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2 zeigt ein Detail eines einzelnen Zahns eines Rads, wobei Parameter, die für die vorliegende Offenbarung relevant sind, definiert werden;
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3 zeigt zwei Räder mit ineinandergreifenden Zähnen;
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4 bis 6 zeigen einzelne Räder mit Zähnen, die verschiedene Eingriffswinkel aufweisen; und
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7 stellt einen Prozess dar, durch den Zahnräder hergestellt werden können.
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Detaillierte Beschreibung
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Wie der gewöhnliche Fachmann erkennen wird, können verschiedene, unter Bezug auf eine beliebige der Figuren dargestellte und beschriebene Merkmale der Ausführungsformen mit in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellten Merkmalen kombiniert werden, um alternative Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen der dargestellten Merkmale liefern repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung können jedoch für besondere Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein. Der gewöhnliche Fachmann kann ähnliche Anwendungen oder Implementierungen erkennen, ob sie nun ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind oder nicht.
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Ein Paar Räder 10 und 30 ist in 1 gezeigt. Antriebsrad 10 und Abtriebsrad 30 sind getrennt gezeigt. Das Antriebsrad 10 ist an einer Welle 12, im Querschnitt gezeigt, mittels eines Keils 14, der in einer Keilnut in dem Rad 10 und einer Keilnut in der Welle 12 verkeilt ist, montiert. Das Rad 10 weist als nicht beschränkendes Beispiel 24 Zähne auf. In einem ersten Sektor 22 des Rads 10 weisen die Zähne einen ersten Eingriffswinkel auf. In einem zweiten Sektor 24 des Rads 10 weisen die Zähne einen zweiten Eingriffswinkel auf, wobei sich der zweite Eingriffswinkel vom ersten Eingriffswinkel unterscheidet. In einem dritten Sektor 24 des Rads 10 weisen die Zähne einen dritten Eingriffswinkel auf. Das Beispiel in 1 zeigt im ersten, zweiten und dritten Sektor, 20, 22, und 24 jeweils acht Zähne, d. h., die Sektoren 20, 22 und 24 sind gleich groß. Alternativ dazu weisen die Sektoren keine einheitliche Größe auf. Bei einer weiteren Alternative wird eine unterschiedliche Anzahl von Sektoren verwendet:
beispielsweise 2, 4, 5. Insbesondere, wenn die Anzahl von Zähne nicht durch die Anzahl von Sektoren teilbar ist, müssen die Sektoren eine uneinheitliche Größe aufweisen.
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Ebenfalls gezeigt ist ein Abtriebsrad 30, das auch 24 Zähne aufweist. Das Rad 30 ist auf einer Welle 32 montiert und gegen Verrutschen bezüglich der Welle 32 durch einen Keil 34 gesichert. Wenn die beiden Räder in Eingriff sind und sich drehen, liefern sie ein 1:1-Verhältnis. Ineinandergreifende Zähne müssen denselben Eingriffswinkel aufweisen. Daher ist das Rad 30 mit drei Sektoren 40, 42 und 44 versehen, die jeweils einen ersten, zweiten und dritten Eingriffswinkel aufweisen. Wenn sich das Rad 10 gegen den Uhrzeigersinn dreht und mit dem Rad 30 in Eingriff steht, dreht sich das Rad 30 im Uhrzeigersinn.
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Die Zähne der Räder 10 und 30 in 1 weisen variierende Eingriffswinkel auf. Ein derartiges Detail ist aber nicht zu erkennen. In 2 ist ein Detail eines Radzahns 200 gezeigt, der einen Teilkreis 202 aufweist. Der Zahn 200 weist eine erste Seite 210 und eine zweite Seite 220 auf. Die Linien 212 und 222 sind Radien des mit dem Zahn 200 verbundenen Rads (nicht gezeigt). Die Linien 216 sind Tangenten des Teilkreises 202 an ihren jeweiligen Teilungspunkten. (Der Teilungspunkt liegt an der Oberfläche der ersten Seite 210, wo sich die Linien 214, 216, 218 und der Teilkreis 202 schneiden. Der andere Teilungspunkt liegt an der Oberfläche der zweiten Seite 220, wo sich die Linien 224, 226, 228 und der Teilkreis 202 schneiden.) Die Linie 214 ist senkrecht zur Tangente (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt) der Seite 210, die durch ihren zugeordneten Teilungspunkt läuft. Ähnlich ist 224 senkrecht zur Tangente (ebenfalls nicht gezeigt) der Seite 220, die durch ihren zugeordneten Teilungspunkt läuft. Der Eingriffswinkel für die Seite 210 ist durch den Winkel 218 definiert, und der Eingriffswinkel für die Seite 220 ist durch den Winkel 228 definiert. Die Eingriffswinkel an den beiden Seiten der Zähne können unterschiedlich sein. Typische Eingriffswinkel bei Rädern liegen in einem nicht beschränkenden Bereich von 15 bis 25 Grad.
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Während einer Drehung berührt jeder Radzahn zwei Zähne vom Gegenrad. Wieder auf 1 beziehend weisen alle acht Zähne im Sektor 20 denselben Eingriffswinkel an jeder Seite der Zähne auf. Ein Zahn 46 am Rad 30 ist aber ein Übergangszahn mit einer Hälfte des Zahns in Sektor 40 und einer Hälfte des Zahns in Sektor 42. Der Zahn 46 weist den mit dem Sektor, in dem er sich befindet, verbundenen Eingriffswinkel auf, d. h., die Hälfte im Sektor 40 weist einen ersten Eingriffswinkel auf, und die Hälfte im Sektor 42 weist einen zweiten Eingriffswinkel auf. Der Zahn 46 ist ein Übergangszahn, der für einen glatten Übergang vom Ineinandergreifen der Sektoren 20 und 40 zum Ineinandergreifen der Sektoren 22 und 42 sorgt. Für jede Änderung des Eingriffswinkels um den Außenrand eines Rads weist ein Zahn an einem Gegenrad der Räder einen Übergangszahn auf, der hierin als einen Eingriffswinkel an einer Seite des Zahns und einen unterschiedlichen Eingriffswinkel an der anderen Seite des Zahns aufweisend definiert ist.
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Die vorliegende Offenbarung kann auf andere als 1:1-Verhältnis-Räder angewendet werden. In 3 ist ein erstes Rad 10 mit drei Sektoren 20, 22 und 24 versehen, die jeweils einen ersten, zweiten und dritten Eingriffswinkel aufweisen. Ein zweites Rad 50, dessen Zähne mit den Zähnen des ersten Rads 10 in Eingriff stehen, hat doppelt so viele Zähne wie das erste Rad 10, das heißt 48 Zähne. Das Rad 50 ist auf einer Welle 52 mittels eines Keils 54 montiert, der in Keilnuten eingreift, die sowohl bei der Welle 52 als auch bei dem Rad 50 ausgebildet sind. Wenn sich das Rad 10 zweimal gegen den Uhrzeigersinn dreht, dreht sich das Rad 50 einmal. In einer derartigen Periode gelangen die Zähne im Sektor 20 von Rad 10 zweimal mit Zähnen am Rad 50 in Eingriff. So weist das Rad 50 zwei Sektoren, 60, auf, die diametral gegenüberliegend sind und den ersten Eingriffswinkel haben. Die Zähne der beiden diametral gegenüberliegenden Sektoren 62 sind mit dem zweiten Eingriffswinkel gebildet. Zähne der beiden diametral gegenüberliegen Sektoren 64 sind mit dem dritten Eingriffswinkel gebildet. Wie oben beschrieben, müssen bei anderen Ausführungsformen nicht alle Sektoren 20, 22 und 24 vom Rad 10 gleich groß sein. Die Anzahl der Zähne in Sektor 20 ist jedoch gleich der Anzahl der Zähne in beiden der Sektoren 60. Die Anzahl von Zähnen in Sektoren 22 und 62 sind identisch. Und eine ähnliche Entsprechung tritt in Sektoren 24 und 64 auf.
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Die vorliegende Offenbarung kann auf ein beliebiges Antriebs-/Abtriebsradpaar, bei dem das Verhältnis aus Ganzzahlen besteht, zum Beispiel 1:2, 3:1, 1:4, angewendet werden. Die ineinandergreifenden Zähne sollten denselben Eingriffswinkel aufweisen. Um dies zu bewirken, ist ein Übergangszahn zwischen Abschnitten mit verschiedenen Eingriffswinkeln an einem der beiden Gegenräder vorhanden. Räder, bei denen unterschiedliche Zähne während jeder Drehung ineinandergreifen, ziehen aus der vorliegenden Offenbarung keinen Nutzen.
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Ein 12-zahniges Rad 70 ist in 4 gezeigt, bei dem der Eingriffswinkel für jeden Zahn geändert ist. Die Zähne 80, 80’, 80’’ und 80’’’ weisen einen ersten Eingriffswinkel auf. Die Zähne 82, 82’, 82’’ und 82’’’ weisen einen zweiten Eingriffswinkel auf. Die Zähne 84, 84’, 84’’ und 84’’’ weisen einen dritten Eingriffswinkel auf. Alle Zähne eines Rads, das mit dem Rad 70 in Eingriff kommt, sind Übergangszähne: ein Zahn mit dem ersten Eingriffswinkel an einer Seite und dem zweiten Eingriffswinkel an der anderen Seite, gefolgt von einem Zahn mit dem zweiten Eingriffswinkel an der einen Seite und dem dritten Eingriffswinkel an der anderen Seite, gefolgt von einem Zahn mit dem dritten Eingriffswinkel an der einen Seite und dem ersten Eingriffswinkel an der anderen Seite, in Folge. Andere regelmäßige Muster können alternativ eingesetzt werden, ebenso wie unterschiedliche Anzahlen von Zähnen. Bei anderen Alternativen werden zwei Eingriffswinkel in einem regelmäßigen Muster verwendet oder mehr als drei, wie im Beispiel in 4 gezeigt ist.
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Das Rad 70 in 4 ist nicht an einer Welle montiert gezeigt, und die Öffnung 72 zum Aufnehmen einer Welle sowie eine im Rad zur Aufnahme eines Keils ausgebildete Keilnut 74 sind gezeigt.
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In 5 ist ein 12-zahniges Rad 90 gezeigt, das Zähne mit drei Eingriffswinkeln aufweist, die Anordnung ist aber zufällig. Die Zähne 100, 100’, 100’’ und 100’’’ weisen alle denselben Eingriffswinkel auf. 100 und 100’ erweisen sich einfach aufgrund der zufälligen Natur als aneinander angrenzend.
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In 6 ist ein 12-zahniges Rad mit vier Sektoren, 120, 122, 124 und 126, gezeigt, wobei jeder einen den Zähnen innerhalb des jeweiligen Sektors zugeordneten Eingriffswinkel aufweist. Übergangszähne 130, 132, 134 und 136 weisen zwei Eingriffswinkel auf, z. B. eine Seite 150 von Zahn 130 und eine Seite 142 von Zahn 132 weisen den mit Sektor 120 verbundenen Eingriffswinkel auf. Analog weisen die Seiten 152 und 144 den mit Sektor 122 verbundenen Eingriffswinkel auf; die Seiten 154 und 146 weisen den mit Sektor 124 verbundenen Eingriffswinkel auf; die Seiten 156 und 140 weisen den mit Sektor 126 verbundenen Eingriffswinkel auf. Ein Gegenrad zu Rad 110, wenn es ein 1:1-Verhältnis gäbe, würde ebenfalls 12 Zähne haben, wobei jeweils drei mit den Sektoren 120, 122, 124 und 126 verbundene Eingriffswinkel an beiden Seiten der Zähne aufwiesen. Die Sektoren 120 und 124 können denselben Eingriffswinkel aufweisen, der sich von 124 und 126 unterscheidet.
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Während die beste Art in Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen im Detail beschrieben worden ist, wird der Fachkundige verschiedene alternative Gestaltungen und Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche erkennen. Obwohl verschiedene Ausführungsformen so beschrieben worden sein können, dass sie hinsichtlich einer oder mehrerer erwünschten Eigenschaften Vorteile gegenüber anderen Ausführungsformen bieten oder diesen vorzuziehen sind, versteht der Fachmann, dass Kompromisse hinsichtlich einer oder mehrerer Eigenschaften eingegangen werden können, um gewünschte Systemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf, Kosten, Stärke, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit etc. Die Ausführungsformen, die hierin hinsichtlich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen gekennzeichnet sind, liegen nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
