DE102017220457A1

DE102017220457A1 - Verzahnungsanordnung

Info

Publication number: DE102017220457A1
Application number: DE102017220457.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Juretko; Peter Marschall; Siegfried Heide
Original assignee: EM Motive GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2019-05-16
Also published as: CN109798305A; CN109798305B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verzahnungsanordnung zur Flankenspielreduktion an einer Innenverzahnung eines rotierenden Bauteils (10), insbesondere einer Hohlwelle, umfassend ein erstes Zahnrad (2) mit einer ersten Außenverzahnung (20), ein zweites Zahnrad (3) mit einer zweiten Außenverzahnung (30), wobei das erste Zahnrad (2) und das zweite Zahnrad (3) um eine gemeinsame Rotationsache (4) rotierend angeordnet sind, eine Verdrehvorrichtung (15) mit einem ersten Verdrehelement (21) am ersten Zahnrad (2) und mit einem zweiten Verdrehelement (31) am zweiten Zahnrad (3), und eine Spannvorrichtung (5), welche eingerichtet ist, um das erste Zahnrad (2) und das zweite Zahnrad (3) in axialer Richtung der Rotationsachse (4) gegeneinander zu verspannen, wobei die Verdrehvorrichtung (15) eingerichtet ist, bei einer axialen Verspannung des ersten Zahnrads (2) und des zweiten Zahnrads (3) gegeneinander das erste Zahnrad (2) und das zweite Zahnrad (3) derart gegeneinander zu verdrehen, dass sich bei stirnseitig gegenüberliegenden Zähnen der ersten Außenverzahnung (20) und der zweiten Außenverzahnung (30) eine erste Zahnkopfmittellinie (22) eines Zahns der ersten Außenverzahnung (20) um einen Versatz (V) gegenüber einer zweiten Zahnkopfmittellinie (32) eines stirnseitig gegenüberliegenden Zahns der zweiten Außenverzahnung (30) in Umfangsrichtung versetzt ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verzahnungsanordnung und eine die Verzahnungsanordnung umfassende Welle, insbesondere eine Kurbelwelle oder eine Welle eines Kolbenverdichters. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Verzahnungsanordnung zur Flankenspielreduktion an einer Innenverzahnung eines rotierenden Bauteils, insbesondere einer Hohlwelle.
Verzahnungsanordnungen werden beispielsweise in Antriebssträngen von Hybrid-Fahrzeugen mit elektrischen Maschinen und Verbrennungsmotoren eingesetzt. Durch die wechselnden Kräfte auf die Kolben im Verbrennungsmotor resultiert eine starke Drehmomentwelligkeit der Kurbelwelle. Damit einher geht ein spielbehafteter Flankenwechsel der Zahnräder in spielbehafteten formschlüssigen Verbindungen im Antriebsstrang, wie beispielsweise in Vielzahn-Welle-Nabe-Verbindungen. Da sich eine solche Drehmomentwelligkeit negativ in Bezug auf Lärmemission und Lebensdauer der Zahnräder auswirkt, sind aufwendige konstruktive Maßnahmen zur Vermeidung der negativen Effekte notwendig. Üblich ist dabei ein Einsatz von Schwungrädern oder Drehmomentwandlern oder Torsionsfedern mit Dämpfungselementen. Dabei ergeben sich jedoch die Nachteile einer Erhöhung der Gesamtmasse und der Komplexität und damit einhergehend der Kosten des Gesamtsystems.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Verzahnungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass bei kostengünstiger Herstellung ein zuverlässiger und effizienter Betrieb ermöglicht wird. Die erfindungsgemäße Verzahnungsanordnung erlaubt eine einfache und kostengünstige Fertigung und Montage und verhindert auf einfache Art und Weise einen spielbehafteten Flankenwechsel in der Welle-Hohlwelle-Verbindung. Hierdurch kann eine signifikante Geräuschreduzierung und eine Reduzierung des Verschleißes erreicht werden. Dies wird erfindungsgemäß derart gelöst, dass eine Verzahnungsanordnung zur Flankenspielreduktion an einer Innenverzahnung eines rotierenden Bauteils, insbesondere einer Hohlwelle, mit einem ersten Zahnrad und mit einem zweiten Zahnrad vorgesehen ist. Das erste Zahnrad weist dabei eine erste Außenverzahnung zum Zusammenwirken mit der Innenverzahnung des rotierenden Bauteils auf. Das zweite Zahnrad weist weiterhin eine zweite Außenverzahnung zum Zusammenwirken mit der Innenverzahnung des rotierenden Bauteils auf. Das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad sind um eine gemeinsame Rotationsachse rotierend angeordnet. Die Verzahnungsanordnung umfasst weiterhin eine Verdrehvorrichtung zum Flankenspiel verringernden Verdrehen der beiden Zahnräder, mit einem ersten Verdrehelement am ersten Zahnrad und mit einem zweiten Verdrehelement am zweiten Zahnrad. Erfindungsgemäß wird unter einem Verdrehelement eine definierte Formgebung, insbesondere der Stirnseiten des Zahnrads, beispielsweise eine Planverzahnung, angesehen. Die Verdrehelemente sind dabei an zueinander weisenden Stirnseiten der beiden Zahnräder angeordnet. Weiter umfasst die Verzahnungsanordnung eine Spannvorrichtung, welche eingerichtet ist, um das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad in axialer Richtung der Rotationsachse gegeneinander zu verspannen. Die Verdrehvorrichtung ist dabei eingerichtet, bei einer axialen Verspannung des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads gegeneinander durch die Spannvorrichtung das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad gegeneinander zu verdrehen. Die beiden Zahnräder werden dabei derart gegeneinander verdreht, dass bei sich stirnseitig gegenüberliegenden Zähnen der ersten Außenverzahnung und der zweiten Außenverzahnung eine erste Zahnkopfmittellinie eines Zahns der ersten Außenverzahnung um einen Versatz gegenüber einer zweiten Zahnkopfmittellinie eines stirnseitig gegenüberliegenden Zahns der zweiten Außenverzahnung in Umfangsrichtung versetzt ist. Als Zahnkopfmittellinie wird jeweils eine zur Rotationsachse parallele Linie, welche mittig auf dem äußersten Umfang eines Zahnes des Zahnrads liegt, angesehen. Durch die Anordnung der Verdrehvorrichtung ist es besonders vorteilhaft möglich, einen definierten Versatz der beiden Zahnkopfmittellinien zueinander, welcher einer Rotation des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads um die Rotationsachse gegeneinander entspricht, zu erzeugen.
Werden beispielsweise die beiden Zahnräder derart auf der gemeinsamen Rotationsachse aneinander angeordnet, dass die beiden Außenverzahnungen miteinander fluchten, das heißt, dass die erste Zahnkopfmittellinie und die zweite Zahnkopfmittellinie aufeinander liegen, so steht das erste Verdrehelement mit dem zweiten Verdrehelement nur teilweise in Kontakt. Bei einem Verschieben der beiden Zahnräder in axialer Richtung der Rotationsachse aufeinander zu, wird durch die Formgebung des ersten Verdrehelements und des zweiten Verdrehelements die Axialbewegung in eine Rotationsbewegung der beiden Zahnräder gegeneinander überführt. Dabei stellt sich der Versatz der beiden Zahnkopfmittellinien ein.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Verdrehelemente der Verzahnungsanordnung können auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein. Bevorzugt weisen das erste Verdrehelement und das zweite Verdrehelement Gleitflächen auf. Die Gleitflächen wirken derart zusammen, dass bei einer axialen Verspannung des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads die Gleitflächen das erste Zahnrad gegenüber dem zweiten Zahnrad in eine Position verdrehen, die geeignet ist, das Flankenspiel innerhalb der einzelnen Zahnlücken der Innenverzahnung des rotierenden Bauteils zu verringern. Mittels der Gleitflächen ist ein besonders einfaches Verdrehen der beiden Zahnräder gegeneinander möglich.
Besonders bevorzugt ist das erste Verdrehelement und das zweite Verdrehelement eine Plan-Kerbverzahnung, eine sogenannte Hirth-Verzahnung. Als Plan-Kerbverzahnung wird eine Verdrehvorrichtung mit Verdrehelementen mit radial verlaufenden, spitz zulaufenden, symmetrischen Zähnen angesehen. Bei einem Zahneingriff einer Plan-Kerbverzahnung liegen die Zahnflanken der Zähne flächig aneinander. Eine Plan-Kerbverzahnung ist besonders vorteilhaft, um bei einem teilweisen Eingriff der Plan-Kerbverzahnung eine Axialbewegung in eine Rotationsbewegung zu überführen. Als teilweiser Eingriff wird dabei ein unvollständiger Eingriff der beiden Verzahnungen angesehen, wobei nur teilweise eine Zahnflankenseite des ersten Verdrehelements mit nur einer Zahnflankenseite des zweiten Verdrehelements in Kontakt steht. Zudem erfolgt bei der Verwendung einer Plan-Kerbverzahnung eine axiale Zentrierung der beiden Zahnräder zueinander, was weitere Vorrichtungen zur axialen Zentrierung überflüssig macht.
Besonders bevorzugt ist das erste Verdrehelement eine erste schräge Klauenverzahnung und das zweite Verdrehelement eine zweite schräge Klauenverzahnung. Als schräge Klauenverzahnung wird eine planseitige Verzahnung angesehen, welche Zähne aufweist, welche eine gerade und eine schräge Zahnflanke aufweisen, wodurch sich eine Art Sägezahnprofil der Verzahnung ergibt. Die gerade Zahnflanke ist parallel zu der Rotationsachse, wie bei Zahnflanken einer Klauenkupplung. Die schräge Zahnflanke ist in einem spitzen Winkel zur geraden Zahnflanke ausgerichtet, wie die Zahnflanken einer Plan-Kerbverzahnung. Die beiden Klauenverzahnungen sind dabei derart ausgerichtet, dass die schrägen Zahnflanken der Zähne in Kontakt miteinander stehen. Das heißt, dass bei entsprechender Abstimmung der beiden Außenverzahnungen und der beiden schrägen Klauenverzahnungen aufeinander die gleiche Funktionsweise wie beispielsweise bei der Plan-Kerbverzahnung resultiert.
Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Verdrehvorrichtung ein Zwischenelement umfasst. Das Zwischenelement ist zwischen dem ersten Verdrehelement und dem zweiten Verdrehelement angeordnet. Bevorzugt ist es beispielsweise möglich, das Zwischenelement zylindrisch, mit einem dritten Verdrehelement an einer Stirnseite und mit einem vierten Verdrehelement an einer gegenüberliegenden Stirnseite auszubilden. Das erste und das zweite Verdrehelement kann dabei als Klauenverzahnung ausgeführt sein mit geraden, zur Rotationsachse parallelen Zahnflanken. Das dritte oder vierte Verdrehelement kann dabei als schräge Klauenverzahnung ausgeführt sein, wobei das jeweils andere Verdrehelement eine gerade Klauenverzahnung aufweisen kann. Dabei kann beispielsweise eine gerade Klauenverzahnung des ersten Verdrehelements mit einer schrägen Zahnflanke der schrägen Klauenverzahnung des dritten Verdrehelements in Kontakt stehen, wobei sich ein Linienkontakt ergibt. Beispielsweise ist es auch möglich das dritte Verdrehelement und/oder das vierte Verdrehelement mit geraden Klauenverzahnungen und das erste Verdrehelement und/oder das zweite Verdrehelement mit schrägen Klauenverzahnungen vorzusehen. Durch eine Verdrehvorrichtung mit einem Zwischenelement wird eine besonders flexible Gestaltung der Verzahnungsanordnung ermöglicht. Insbesondere ist es beispielsweise möglich das erste und das zweite Zahnrad identisch zu gestalten, wodurch eine besonders effiziente Fertigung gewährleistet wird.
Bevorzugt umfasst die Verdrehvorrichtung ferner einen Zylinderstift. Weiter ist das erste Verdrehelement eine erste halbzylindrische Ausnehmung in der Stirnseite des ersten Zahnrads und das zweite Verdrehelement eine zweite halbzylindrische Ausnehmung in der Stirnseite des zweiten Zahnrads. Der Zylinderstift ist dabei, nach einer axialen Verspannung des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads gegeneinander, zumindest zum Teil in der ersten halbzylindrischen Ausnehmung und zumindest zum Teil in der zweiten zylindrischen Ausnehmung angeordnet. Die beiden halbzylindrischen Ausnehmungen verlaufen entlang einer radialen Richtung der beiden Zahnräder. Die beiden halbzylindrischen Ausnehmungen sind dabei beispielsweise derart anzuordnen, dass bei einer fluchtenden Ausrichtung der ersten Außenverzahnung und der zweiten Außenverzahnung eine Achse der ersten halbzylindrischen Ausnehmung gegenüber einer Achse der zweiten halbzylindrischen Ausnehmung um einen Winkel in einer Umfangsrichtung der beiden Zahnräder verdreht ist. Beispielsweise ist es auch möglich eine Vielzahl an Zylinderstiften zumindest teilweise in einer Vielzahl an über den Umfang verteilten halbzylindrischen Ausnehmungen anzuordnen. Durch die Ausgestaltung der Verdrehvorrichtung mit einem Zylinderstift und mit halbzylindrischen Ausnehmungen ist eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung der Verzahnungsanordnung möglich.
Weiterhin ist es besonders günstig, wenn die Verzahnungsanordnung ein rotierendes Bauteil, insbesondere eine Hohlwelle, mit einer Innenverzahnung umfasst. Das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad sind dabei zumindest zum Teil in der Hohlwelle angeordnet. Beispielsweise kann das erste Zahnrad vollständig und das zweite Zahnrad nur teilweise innerhalb der Hohlwelle angeordnet sein. Bevorzugt greifen die erste Außenverzahnung und die Innenverzahnung sowie die zweite Außenverzahnung und die Innenverzahnung ineinander. Diese Anordnung wirkt sich besonders günstig auf eine einfache Montage und eine Langlebigkeit der Zahnräder aus. Für eine einfache Montage der Verzahnungsanordnung können die beiden Zahnräder beispielsweise derart angeordnet sein, dass die erste Außenverzahnung und die zweite Außenverzahnung miteinander fluchten, also die erste Zahnkopfmittellinie und die zweite Zahnkopfmittellinie aufeinander liegen. Weiterhin ist es bevorzugt möglich, die Verzahnungen dieser Welle-Hohlwelle-Verbindung bei der Fertigung mit Spiel vorzusehen, sodass die Anordnung aus erstem Zahnrad und zweiten Zahnrad einfach in die Hohlwelle geschoben werden kann. Dadurch verringert sich der Fertigungsaufwand, wie auch der Montageaufwand. Nach dem Einschieben der beiden Zahnräder in die Hohlwelle kann eine Verspannung der beiden Zahnräder gegeneinander mit Hilfe der Spannvorrichtung aufgebracht werden. Durch die Verdrehvorrichtung ergibt sich dabei der Versatz der ersten Zahnkopfmittellinie gegenüber der zweiten Zahnkopfmittellinie. Dabei können die beiden Zahnräder derart verspannt werden, dass durch den daraus resultierenden Versatz jeweils eine Zahnflankenseite der ersten Außenverzahnung oder der zweiten Außenverzahnung an den beiden Zahnflankenseiten der Innenverzahnung der Hohlwelle anliegt. Folglich ist bei ausreichender Verspannung eine spielfreie Drehmomentübertragung in der Welle-Hohlwelle-Verbindung auch bei starker Drehmomentwelligkeit möglich.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn das zweite Zahnrad eine größere axiale Länge als das erste Zahnrad aufweist. Bevorzugt ist die Verzahnungsanordnung dabei derart einzurichten, dass das zweite Zahnrad das Hauptdrehmoment, beispielsweise bei einem Arbeitshub der Kolben, und das erste Zahnrad das Gegendrehmoment, beispielsweise bei einem Verdichtungshub der Kolben, überträgt. Dadurch ist eine besonders geeignete Anpassung der Verzahnungsanordnung an die mechanischen Belastungen in der Welle-Hohlwelle-Verbindung möglich.
Bevorzugt weisen das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad die gleiche axiale Länge auf. Dadurch wird eine besonders einfache Fertigung der Verzahnungsanordnung ermöglicht. Insbesondere ist im Falle eines identischen ersten Verdrehelements und zweiten Verdrehelements eine Fertigung des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads als Gleichteile möglich.
Besonders bevorzugt ist die erste Außenverzahnung und die zweite Außenverzahnung jeweils eine gerade Außenverzahnung. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die erste Außenverzahnung und die zweite Außenverzahnung identisch sind. Dadurch ist eine einfache und kostengünstige Fertigung möglich. Zudem wird die Montage der Verzahnungsanordnung dadurch erheblich vereinfacht.
Als besonders günstig wird es weiterhin angesehen, wenn die Spannvorrichtung eine Schraube und eine Mutter umfasst. Dabei sind die Schraube und die Mutter beispielsweise auf der Rotationsachse angeordnet und eingerichtet, um eine Kraft auf die den Verdrehelementen der Zahnräder in axialer Richtung gegenüber liegenden Stirnseiten der Zahnräder aufzubringen. Dadurch werden die beiden Zahnräder gegeneinander verspannt. Bevorzugt kann eine selbstsichernde Mutter verwendet werden. Durch eine Verspannung der beiden Zahnräder mittels Schraube und Mutter ist eine besonders einfache und flexible Montage und Einstellung der Spannkraft möglich.
Bevorzugt umfasst die Spannvorrichtung eine Schraube, welche in ein Gewinde im ersten Zahnrad eingeschraubt ist. Besonders bevorzugt ist das Gewinde dabei ein Feingewinde, wobei die Steigung des Gewindes vorzugsweise derart ausgerichtet ist, dass das Einschraub-Drehmoment gegenläufig dem Hauptdrehmoment aus dem Zahneingriff des ersten Zahnrads mit der Hohlwelle ist. Durch das direkte Einschrauben der Spannvorrichtung in das Gewinde im ersten Zahnrad ist eine besonders einfache Handhabung der Verzahnungsanordnung bei der Montage gewährleistet.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schraube eine Dehnschraube ist. Die Dehnschraube bewirkt eine besonders zuverlässige Verspannung der beiden Zahnräder gegeneinander und verhindert ein Lockern bei starker Drehmomentwelligkeit und schwankenden Betriebstemperaturen.
Bevorzugt weist das zweite Zahnrad eine dritte Außenverzahnung auf, welche ungleich der ersten Außenverzahnung und der zweiten Außenverzahnung ist. Die dritte Außenverzahnung kann beispielsweise mit einem größeren Außendurchmesser als die zweite Außenverzahnung ausgeführt werden, um über einen Eingriff mit einem weiteren Zahnrad oder dergleichen ein Drehmoment zu übertragen.
Besonders günstig ist es weiterhin, wenn die Verzahnungsanordnung ein elastisches Element umfasst, insbesondere einen O-Ring, welches zwischen dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad angeordnet ist. Mit dem elastischen Element wird beispielsweise durch leichtes axiales Vorspannen der beiden Zahnräder gegen das elastische Element mit der Spannvorrichtung verhindert, dass sich die Zahnräder bei der Montage unbeabsichtigt gegeneinander verdrehen.
Ferner betrifft die Erfindung eine drehmomentübertragende Anordnung von zwei rotierenden Komponenten. Eine der beiden rotierenden Komponenten, insbesondere eine Hohlwelle, weist dabei eine Innenverzahnung auf, welche über eine erfindungsgemäße Verzahnungsanordnung drehmomentübertragend mit der anderen rotierenden Komponente verbunden ist.
Bevorzugt sind bei der drehmomentübertragenden Anordnung die erste Außenverzahnung des ersten Zahnrads und zweite Außenverzahnung des zweiten Zahnrads derart ausgerichtet, dass sich stirnseitig gegenüberliegende Zähne der Außenverzahnungen jeweils in derselben Zahnlücke der Innenverzahnung des rotierenden Bauteils angeordnet sind.
Die drehmomentübertragende Anordnung kann beispielsweise bei Kurbelwellen eingesetzt werden. Beispielsweise können solche Kurbelwellen in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor und/oder mit elektrischen Maschinen, wie einem Elektromotor und/oder einem Generator eingesetzt werden. Zudem kann die Erfindung bei anderen Wellen verwendet werden, beispielsweise auch bei einem Kolbenverdichter.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:

1 eine elektrische Maschine mit einer Verzahnungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 ein Detail der elektrischen Maschine von 1 mit der Verzahnungsanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
3 eine Explosionsdarstellung des ersten Ausführungsbeispiels der Verzahnungsanordnung,
4 eine Detail der Verzahnungsanordnung des ersten Ausführungsbeispiels in Seitenansicht mit unvollständigem Eingriff einer Plan-Kerbverzahnung,
5 ein Detail der Verzahnungsanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in Seitenansicht mit einem vollständigen Eingriff der Plan-Kerbverzahnung,
6 ein Detail der Verzahnungsanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel als isometrische Ansicht mit einem vollständigen Eingriff Plan-Kerbverzahnung,
7 ein Detail einer elektrischen Maschine mit einer Verzahnungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
8 ein Detail der Verzahnungsanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in Seitenansicht mit einem vollständigen Eingriff der schrägen Klauen-Verzahnungen,
9 ein Detail der Verzahnungsanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in Seitenansicht mit einem dritten Verdrehelement,
10a ein Detail der Verzahnungsanordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel in Seitenansicht mit fluchtender Anordnung der Zahnkopfmittellinien des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads,
10b ein Detail der Verzahnungsanordnung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel in Seitenansicht mit einem Zylinderstift zwischen halbzylindrischen Ausnehmungen des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads,
11 eine Explosionsdarstellung des fünften Ausführungsbeispiels der Verzahnungsanordnung von 10a und 10b, und
12 einen Drehmomentverlauf einer Kurbelwelle über einen Takt eines Verbrennungsmotors mit starker Drehmomentwelligkeit.

Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 bis 6 zeigen eine Verzahnungsanordnung 1 einer elektrischen Maschine 100 in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Die in 1 gezeigte Verzahnungsanordnung 1 umfasst ein erstes Zahnrad 2 mit einer ersten geraden Außenverzahnung 20, ein zweites Zahnrad 3 mit einer zweiten geraden Außenverzahnung 30 und eine Verdrehvorrichtung 15. Die Verdrehvorrichtung 15 umfasst ein erstes Verdrehelement 21 an einer Stirnseite des ersten Zahnrads 2 und ein zweites Verdrehelement 31 an der Stirnseite des zweiten Zahnrads 3, wie in der Detailansicht in 2 gezeigt. Die erste gerade Außenverzahnung 20 und die zweite gerade Außenverzahnung 30 sind dabei identisch. Das erste Zahnrad 2 und das zweite Zahnrad 3 sind um eine gemeinsame Rotationsachse 4 rotierend angeordnet.
Weiter umfasst die Verzahnungsanordnung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein rotierendes Bauteil 10, welches als Hohlwelle 10 ausgebildet ist. Die Hohlwelle 10 ist ebenfalls um die Rotationsachse 4 rotierend angeordnet. In der Hohlwelle 10 ist das erste Zahnrad 2 vollständig und das zweite Zahnrad 3 zum Teil innerhalb angeordnet. Die Hohlwelle 10 weist dabei eine gerade Innenverzahnung 11 auf, welche jeweils mit der ersten Außenverzahnung 20 und der zweiten Außenverzahnung 30 ineinander greift.
Die Verzahnungsanordnung 1 umfasst ferner eine Spannvorrichtung 5, welche in dem ersten Ausführungsbeispiel eine Schraube 51 und eine Mutter 52 umfasst. Die Spannvorrichtung 5 verspannt das erste Zahnrad 2 und das zweite Zahnrad 3 in axialer Richtung der Rotationsachse 4 gegeneinander.
Weiter umfasst die Verzahnungsanordnung 1 ein elastisches Element 70, welches als O-Ring ausgeführt ist und zwischen dem ersten Zahnrad 2 und dem zweiten Zahnrad 3 angeordnet ist (vgl. 1 bis 3). Das elastische Element 70 ist zwischen dem ersten Zahnrad 2 und dem zweiten Zahnrad 3 gequetscht. Das elastische Element 70 ist besonders vorteilhaft, um während der Montage ein unbeabsichtigtes Verdrehen der beiden Zahnräder 2, 3 gegeneinander zu verhindern. Hierfür werden die beiden Zahnräder vor der Anordnung in der Hohlwelle 10 mit der Spannvorrichtung 5 gegen das elastische Element 70 vorgespannt.
Im ersten Ausführungsbeispiel weist das zweite Zahnrad 3 eine dritte gerade Außenverzahnung 33 auf, welche einen größeren Kopfkreisdurchmesser als die zweite Außenverzahnung 30 aufweist. Wie in der 1 gezeigt, steht die dritte Außenverzahnung 33 mit einer weiteren Hohlwelle 80 mit Innenverzahnung in Zahneingriff, um ein Drehmoment an Komponenten des Antriebsstrangs zu übertragen. Weiterhin wird durch den vergrößerten Eingriffsdurchmesser die Neigung zum Verschleiß der Verzahnung herabgesetzt.
Wie in den 1 bis 6 dargestellt, ist die Verdrehvorrichtung 15 im ersten Ausführungsbeispiel als Plan-Kerbverzahnung, eine sogenannte Hirth-Verzahnung, ausgeführt. Die Plan-Kerbverzahnung ist dabei leicht konisch ausgeführt (vgl. 2).
Die 3 zeigt eine Explosionsdarstellung der Verzahnungsanordnung 1. Die beiden Zahnräder 2,3 weisen an sich zueinander gewandten Stirnseiten das erste Verdrehelement 21 bzw. das zweite Verdrehelement 31 auf, welche in dem ersten Ausführungsbeispiel als Plan-Kerbverzahnung ausgeführt ist. Die beiden Verdrehelemente 21, 31 sind jeweils in einem ringförmigen Bereich koaxial mit der Rotationsachse 4 auf den Stirnseiten der beiden Zahnräder 2 bzw. 3 ausgebildet. Die Zähne der Verdrehelemente 21, 31 verlaufen dabei in radialer Richtung und sind spitz zulaufend ausgestaltet. Weiterhin sind die Zähne der Verdrehelemente 21, 31 symmetrisch und weisen gerade Zahnflankenseiten auf, sodass ein flächiger Zahneingriff erfolgt.
Die 4 zeigt einen unvollständigen Eingriff der Plan-Kerbverzahnung mit einem Spalt S, wobei jeweils eine Zahnflankenseite des ersten Verdrehelements 21 in flächigem Kontakt mit einer Zahnflankenseite des zweiten Verdrehelements 31 steht, wenn die erste Außenverzahnung 20 und die zweite Außenverzahnung 30 zueinander fluchtend angeordnet sind. Das heißt, eine erste Zahnkopfmittellinie 22 und eine zweite Zahnkopfmittellinie 32 liegen aufeinander. Die erste Zahnkopfmittellinie 22 ist parallel zur Rotationsachse 4 und liegt auf dem äußersten Umfang, dem Kopfkreisumfang, eines Zahnes der ersten Außenverzahnung 20 und definiert in Umfangsrichtung eine Mitte des Zahnes.
Analog definiert die zweite Zahnkopfmittellinie 32 eine Mitte eines Zahnes der zweiten Außenverzahnung 30.
Aus diesem unvollständigen Eingriff der Plan-Kerbverzahnung resultiert bei einem axialen Verspannen mit der Spannvorrichtung 5 ein Drehmoment, welches derart auf das erste Zahnrad 2 und das zweite Zahnrad 3 wirkt, dass diese gegeneinander um die Rotationsachse 4 verdreht werden. Werden die beiden Zahnräder 2,3, wie in 1 und 2 gezeigt, in der Hohlwelle 10 mit Innenverzahnung 11 angeordnet. So können diese so weit verspannt werden, dass gegen beide Zahnflankenseiten der geraden Innenverzahnung 11 jeweils eine der Zahnflankenseiten der ersten geraden Außenverzahnung 20 oder der zweiten geraden Außenzahnung 30 drückt.
Die 5 und 6 zeigen ein Detail der Verzahnungsanordnung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Gezeigt ist in 5 und 6 ein vollständiger Eingriff der Plan-Kerbverzahnung. Dabei stehen jeweils beide Zahnflankenseiten der Zähne eines Verdrehelements 21, 31 in flächigem Kontakt mit einer Zahnflankenseite der Zähne des gegenüberliegenden Verdrehelements 21, 31. Bei einer vollständigen Verspannung ergibt sich der maximale Versatz V der ersten Zahnkopfmittellinie 22 gegenüber der zweiten Zahnkopfmittellinie 32 in Umfangsrichtung (vgl. 5 und 6). Das heißt, dass die beiden Zahnräder 2, 3 gegenüber dem Zustand des unvollständigen Eingriffs des ersten Verdrehelements 21 und des zweiten Verdrehelements 31 ineinander gegeneinander rotiert sind. Im montierten Zustand liegen somit die Zahnflanken des ersten Zahnrads 2 an Zahnflanken der Hohlwelle 10 in einer ersten Umfangsrichtung an und die Zahnflanken des zweiten Zahnrads liegen an Zahnflanken der Hohlwelle 10 in einer zweiten entgegengesetzten Umfangsrichtung an. Somit hat die Hohlwelle 10 im montierten Zustand kein Spiel in keiner Umfangsrichtung. Hierdurch ist bei einfacher und kostengünstiger Fertigung und Montage der Verzahnungsanordnung 1 eine Vermeidung eines spielbehafteten Flankenwechsels in der Welle-Hohlwelle-Verbindung möglich.
Die 12 zeigt einen Drehmomentverlauf einer Kurbelwelle in einer Brennkraftmaschine mit starker Drehmomentwelligkeit. Ein Bereich A stellt dabei einen Bereich mit positivem Drehmoment, beispielsweise das Hauptdrehmoment aus dem Arbeitstakt, und ein Bereich B einen Bereich mit negativem Drehmoment, beispielsweise das Gegendrehmoment aus dem Verdichtungstakt, dar.
Insbesondere ist die spielfreie Welle-Hohlwelle-Verbindung bei einer starken Drehmomentwelligkeit einer Brennkraftmaschine, wie in der 12 gezeigt, vorteilhaft. Beispielsweise ist es so möglich, dass das zweite Zahnrad 3 das Hauptdrehmoment A und das erste Zahnrad 2 das Gegendrehmoment B auf die Hohlwelle 10 überträgt. Durch die spielfreie Welle-Hohlwelle-Verbindung erfolgt ein ebenso spielfreier Flankenwechsel durch das Gegendrehmoment B. Hierdurch kann eine signifikante Geräuschreduzierung und eine starke Verringerung abrasiver Effekte an den Zahnrädern gegenüber einer Welle-Hohlwelle-Verbindung mit einem spielbehafteten Flankenwechsel erreicht werden.
Die 7 zeigt eine Verzahnungsanordnung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Die Spannvorrichtung 5 umfasst dabei die Schraube 51. Das erste Zahnrad 2 weist eine Bohrung mit einem Gewinde 53 auf, in welches die Schraube 51 eingeschraubt ist. Das Gewinde 53 ist dabei ein Feingewinde, wobei die Steigung des Gewindes 53 derart ausgerichtet ist, dass das Einschraub-Drehmoment gegenläufig dem Hauptdrehmoment aus dem Zahneingriff des ersten Zahnrads 2 mit der Hohlwelle 10 ist.
Die 8 zeigt ein Detail der Verzahnungsanordnung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied einer alternativen Gestaltung der Verdrehvorrichtung 15. Das erste Verdrehelement 21 ist dabei eine erste schräge Klauenverzahnung 25 und das zweite Verdrehelement 31 ist eine zweite schräge Klauenverzahnung 35. Die Zähne der beiden schrägen Klauenverzahnungen 25, 35 weisen jeweils eine schräge Zahnflanke und eine gerade Zahnflanke auf. Es stehen jeweils die schrägen Zahnflanken der ersten Klauenverzahnung 25 mit den schrägen Zahnflanken der Zähne der ersten Klauenverzahnung 35 in Kontakt. Weiterhin stehen jeweils die geraden Zahnflanken der ersten Klauenverzahnung 25 mit den geraden Zahnflanken der Zähne der ersten Klauenverzahnung 35 in Kontakt. Gezeigt ist ein vollständiger Eingriff der ersten Klauenverzahnung 25 mit der zweiten Klauenverzahnung 35, welcher zu einem maximalen Versatz V der ersten Zahnkopfmittellinie 22 gegenüber der zweiten Zahnkopfmittellinie 32 in Umfangsrichtung führt, analog 5 und 6.
Die 9 zeigt ein Detail der Verzahnungsanordnung 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Das vierte Ausführungsbeispiel zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung der Verdrehvorrichtung 15. Die weitere Konfiguration der Verzahnungsanordnung 1 des vierten Ausführungsbeispiels entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel in den 1 bis 6. Die Verdrehvorrichtung 15 umfasst ein Zwischenelement 41 mit einem dritten Verdrehelement 42 und mit einem vierten Verdrehelement 43. Das erste Verdrehelement 21 und das zweite Verdrehelement 31 ist dabei jeweils als gerade Klauenverzahnung 26, 36 ausgeführt mit geraden Zahnflanken 27, welche zur Rotationsachse 4 parallel sind. Das dritte Verdrehelement 42 ist ebenfalls eine gerade Klauenverzahnung und greift mit dem ersten Verdrehelement 21 ineinander. Das vierte Verdrehelement 43 ist eine schräge Klauenverzahnung und greift mit dem zweiten Verdrehelement 31 ineinander. Das vierte Verdrehelement 43 weist Zähne mit jeweils einer geraden Zahnflanke 28, welche zur Rotationsachse parallel ist, und mit einer schrägen Zahnflanke 29 auf. Gezeigt ist in 9 ein vollständiger Eingriff der Verdrehvorrichtung 15, welcher zu einem maximalen Versatz V der ersten Zahnkopfmittellinie 22 gegenüber der zweiten Zahnkopfmittellinie 32 in Umfangsrichtung führt, analog 5 und 6.
Die 10a, 10b und 11 zeigen eine Verzahnungsanordnung 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Das fünfte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied einer weiteren alternativen Gestaltung der Verdrehvorrichtung 15. Die Verdrehvorrichtung 15 umfasst im fünften Ausführungsbeispiel einen Zylinderstift 60, wobei in der 10a aus Gründen der Anschaulichkeit die Verdrehvorrichtung 15 ohne den Zylinderstift 60 dargestellt ist. Die zueinander gewandten Stirnseiten des ersten Zahnrads 2 und des zweiten Zahnrads 3 weisen eine erste halbzylindrische Ausnehmung 61 bzw. eine zweite halbzylindrische Ausnehmung 62 auf. Die beiden halbzylindrischen Ausnehmungen 61, 62 und der Zylinderstift 60 weisen dabei jeweils den gleichen Radius auf. Die erste halbzylindrische Ausnehmung 61 und die zweite halbzylindrische Ausnehmung 62 verlaufen entlang einer ersten Ausnehmungs-Achse 63 bzw. einer zweiten Ausnehmungs-Achse 64, welche sich jeweils mit der Rotationsachse 4 schneiden (vgl. 11). Die erste Ausnehmungs-Achse 63 liegt auf der Stirnseite des ersten Zahnrads 2 und auf der Rotationsachse 4. Die zweite Ausnehmungs-Achse 64 liegt auf der Stirnseite des zweiten Zahnrads 3 und auf der Rotationsachse 4.
Bei einer fluchtenden Ausrichtung der beiden Außenverzahnungen 20, 30 und einer Anordnung ohne Zylinderstift 60, wie in der 10a dargestellt, sind die beiden halbzylindrischen Ausnehmungen 61, 62 in einem Winkel zueinander angeordnet. Betrachtet man eine erste Mittelpunktslinie 65 und eine zweite Mittelpunktslinie 66, welche parallel zur Rotationsachse 4 verlaufen, auf dem äußersten Radius der Verdrehelemente 21, 31 liegen und durch Mittelpunkte der beiden halbzylindrischen Ausnehmungen 61 bzw. 61 verlaufen, so ergibt sich ein Winkelversatz V'.
10b zeigt die Verzahnungsanordnung 1 mit dem Zylinderstift 60 und mit axial vollständig verspannten Zahnrädern 2, 3. Wird der Zylinderstift 60 dabei zumindest zum Teil in der ersten halbzylindrischen Ausnehmung 61 und zumindest zum Teil in der zweiten halbzylindrischen Ausnehmung 62 angeordnet und die beiden Zahnräder vollständig axial gegeneinander verspannt, so ergibt sich der Versatz V der Zahnkopfmittellinien 22, 32.
Die 11 zeigt einen Zylinderstift 60 mit einer kleineren axialen Länge als der Radius der ersten Außenverzahnung 20.
Zusammenfassend ist es in allen Ausführungsbeispielen möglich, die erste Außenverzahnung 20, die zweite Außenverzahnung 30 und die Verdrehvorrichtung 15 derart aufeinander abzustimmen, dass ein vollständiger Eingriff der Verdrehvorrichtung 15 vorliegt, wenn gegen beiden Zahnflankenseiten der Innenverzahnung 11 jeweils eine Zahnflankenseite der beiden Außenverzahnungen 20, 30 drückt. Weiterhin ist es in allen Ausführungsbeispielen jedoch auch möglich, die erste Außenverzahnung 20, die zweite Außenverzahnung 30 und die Verdrehvorrichtung 15 derart aufeinander abzustimmen, dass Spiel in der Verdrehvorrichtung 15 verbleibt, wenn gegen beide Zahnflankenseiten der Innenverzahnung 11 jeweils eine Zahnflankenseite der beiden Außenverzahnungen 20, 30 drückt.
Durch das Zusammenwirken der Verdrehvorrichtung 15 und der Spannvorrichtung 5 wird in allen Ausführungsbeispielen gewährleistet, dass ein Drehmoment wirkt, wodurch an beide Zahnflankenseiten der geraden Innenverzahnung 11 jeweils eine der Zahnflankenseiten der ersten geraden Außenverzahnung 20 und der zweiten geraden Außenzahnung 30 gedrückt wird. Dadurch ist es besonders vorteilhaft möglich, die negativen Effekte einer starken Drehmomentwelligkeit (vgl. 12) in einer Welle-Hohlwelle-Verbindung zu vermeiden. Da im Betrieb jederzeit beide Zahnflankenseiten der Innenverzahnung 11 der Hohlwelle 10 die Zahnflankenseite eines Zahnrads 2,3 berühren, ist in der Welle-Hohlwelle-Verbindung kein Spiel vorhanden, welches bei einem spielbehafteten Flankenwechsel Verschleiß der Zahnräder und Lärm verursachen würde.

Claims

Verzahnungsanordnung zur Flankenspielreduktion an einer Innenverzahnung eines rotierenden Bauteils (10), insbesondere einer Hohlwelle, umfassend: - ein erstes Zahnrad (2) mit einer ersten Außenverzahnung (20), - ein zweites Zahnrad (3) mit einer zweiten Außenverzahnung (30), - wobei das erste Zahnrad (2) und das zweite Zahnrad (3) um eine gemeinsame Rotationsache (4) rotierend angeordnet sind, - eine Verdrehvorrichtung (15) mit einem ersten Verdrehelement (21) am ersten Zahnrad (2) und mit einem zweiten Verdrehelement (31) am zweiten Zahnrad (3), und - eine Spannvorrichtung (5), welche eingerichtet ist, um das erste Zahnrad (2) und das zweite Zahnrad (3) in axialer Richtung der Rotationsachse (4) gegeneinander zu verspannen, - wobei die Verdrehvorrichtung (15) eingerichtet ist, bei einer axialen Verspannung des ersten Zahnrads (2) und des zweiten Zahnrads (3) gegeneinander das erste Zahnrad (2) und das zweite Zahnrad (3) derart gegeneinander zu verdrehen, dass sich bei stirnseitig gegenüberliegenden Zähnen der ersten Außenverzahnung (20) und der zweiten Außenverzahnung (30) eine erste Zahnkopfmittellinie (22) eines Zahns der ersten Außenverzahnung (20) um einen Versatz (V) gegenüber einer zweiten Zahnkopfmittellinie (32) eines stirnseitig gegenüberliegenden Zahns der zweiten Außenverzahnung (30) in Umfangsrichtung versetzt ist.
Verzahnungsanordnung gemäß Anspruch 1, wobei das erste Verdrehelement (21) und das zweite Verdrehelement (31) Gleitflächen aufweisen, die derart zusammenwirken, dass bei einer axialen Verspannung des ersten Zahnrads (2) und des zweiten Zahnrads (3) die Gleitflächen das erste Zahnrad (2) gegenüber dem zweiten Zahnrad (3) in eine Position verdrehen, die geeignet ist, das Flankenspiel innerhalb der einzelnen Zahnlücken der Innenverzahnung des rotierenden Bauteils (10) zu verringern.
Verzahnungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Verdrehvorrichtung (15) eine Plan-Kerbverzahnung ist.
Verzahnungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Verdrehelement (21) eine erste schräge Klauenverzahnung (25) ist und wobei das zweite Verdrehelement (31) eine zweite schräge Klauenverzahnung (35) ist, wobei die schrägen Zahnflanken der Zähne der ersten schrägen Klauenverzahnung (25) und schrägen Zahnflanken der Zähne der zweiten schrägen Klauenverzahnung (35) ineinander greifen.
Verzahnungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Verdrehvorrichtung (15) ein Zwischenelement (41) umfasst und wobei das Zwischenelement (41) zwischen dem ersten Verdrehelement (21) und dem zweiten Verdrehelement (31) angeordnet ist.
Verzahnungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Verdrehvorrichtung (15) einen Zylinderstift (60) umfasst, wobei das erste Verdrehelement (21) eine erste halbzylindrische Ausnehmung (61) ist und das zweite Verdrehelement (31) eine zweite halbzylindrische Ausnehmung (62) ist und wobei der Zylinderstift (60) nach einer axialen Verspannung des ersten Zahnrads (2) und des zweiten Zahnrads (3) gegeneinander zumindest zum Teil in der ersten halbzylindrischen Ausnehmung (61) und zumindest zum Teil in der zweiten halbzylindrischen Ausnehmung (62) angeordnet ist.
Verzahnungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein rotierendes Bauteil (10), insbesondere eine Hohlwelle, mit einer geraden Innenverzahnung (11), wobei das erste Zahnrad (2) und das zweite Zahnrad (3) zumindest zum Teil in dem rotierenden Bauteil (10) angeordnet sind und wobei die erste Außenverzahnung (20) und die Innenverzahnung (11) sowie die zweite Außenverzahnung (30) und die Innenverzahnung (11) ineinander greifen.
Verzahnungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Zahnrad (3) eine größere axiale Länge aufweist als das erste Zahnrad (2), oder wobei das zweite Zahnrad (3) und das erste Zahnrad (2) die gleiche axiale Länge aufweisen
Verzahnungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Außenverzahnung (20) und die zweite Außenverzahnung (30) jeweils eine gerade Außenverzahnung ist, wobei insbesondere die erste Außenverzahnung (20) und die zweite Außenverzahnung (30) identisch sind.
Verzahnungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannvorrichtung (5) eine Schraube (51) und eine Mutter (52) umfasst.
Verzahnungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Spannvorrichtung (5) eine Schraube (51) umfasst und wobei die Schraube (51) in ein Gewinde im ersten Zahnrad (2) oder in ein Gewinde im zweiten Zahnrad (3) eingeschraubt ist.
Verzahnungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Schraube (51) eine Dehnschraube ist.
Verzahnungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Zahnrad eine dritte Außenverzahnung (33) aufweist, welche ungleich der ersten Außenverzahnung (20) und der zweiten Außenverzahnung (30) ist.
Verzahnungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein elastisches Element, insbesondere einen O-Ring, welches zwischen dem ersten Zahnrad (2) und dem zweiten Zahnrad (3) angeordnet ist.
Drehmomentübertragende Anordnung von zwei rotierenden Komponenten, wobei eine der beiden rotierenden Komponenten, insbesondere eine Hohlwelle, eine Innenverzahnung aufweist, die über eine Verzahnungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche drehmomentübertragend mit der anderen rotierenden Komponente verbunden ist.
Drehmomentübertragende Anordnung nach Anspruch 15, wobei die erste Außenverzahnung (20) des ersten Zahnrads (2) und die zweite Außenverzahnung (30) des zweiten Zahnrads (3) derart ausgerichtet sind, dass sich stirnseitig gegenüberliegende Zähne der Außenverzahnungen jeweils in derselben Zahnlücke der Innenverzahnung des rotierenden Bauteils (10) angeordnet sind.