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Bezeichnung: Zahngetriebeelement und Verfahren zur Herstellung eines
Zahngetriebeelementes Die Erfindung betrifft ein Zahngetriebeelement mit auf einem
Tragkörper angeordneten Zähnen.
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Bisher wurde bei Zahngetriebeelementen wie Zahnrädern (schräg-oder
geradverzahnt), Zahnstangen, Kegelrädern, Schraubenrädern etc. nur auf eine kinematisch
einwandfreie Ausbildung der Zahnaußenkontur durch die Wahl der Verzahnungsart (z.
B.
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Evolventenverzahnung), Profilverschiebung und Abmessung (z. B.
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Modul) sowie durch die Wahl entsprechender Fertigungsverfahren Rücksicht
genommen.
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Die Bemessung einer Verzahnung erfolgt auf der Grundlage der Kriterien
Zahnfußbeanspruchung, Wälzpressung, Freßsicherheit, Erwärmung sowie Geräuschbildung.
In vielen Fällen wird die
Leistungsübertragung einer Verzahnung
durch die Kriterien Wälzpressung und Freßsicherheit begrenzt,. da im Falle der Wälzpressung
die Lastübertragung nur durch wenige kleine Kontaktflächen (Hertz'sche Flächen)
erfolgt, mit der Folge einer hohen örtlichen Beanspruchung, die bei Überschreiten
bestimmter Grenzwerte zur Grübchenbildung auf den Zahnflanken führen kann.
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Diese kleinen, durch hohe Pressung beanspruchten Kontaktflächen führen
dann zu Freßerscheinungen, wenn es nicht gelingt, über die Ausbildung elastohydrodynamischer
Schmierfilme eine Trennung der miteinander im Eingriff stehenden Zahnflankenoberflächen
zu erreichen oder bei Mischreibungszuständen zwischen den sich berührenden Zahnflankenoberflächen
mit Hilfe von Additiven im Öl die Freßneigung der im Kontakt befindlichen Metalle
zu unterbinden. Es hat sich aber gezeigt, daß es bei hochbelasteten herkömmlichen
Verzahnungen meist nicht gelingt, einen tragfähigen Film während der gesamten Eingriffsdauer
aufrechtzuerhalten. Die Folge sind mit Verschleiß verbundene Mischreibungszustände
mit höheren Reibwerten und einer entsprechend höheren Wärmebelastung des Getriebes.
Durch den in diesen Fällen ständig auftretenden Verschleiß ist die Lebensdauer der
Verzahnung begrenzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zahngetriebeelement
zu schaffen, mit dem die aufgeführten Nachteile herkömmlicher
Verzahnungen
vermieden werden. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jeder
Zahn mit wenigstens einer Ausnehmung versehen ist, deren Achse parallel zu den Zahnflanken
verläuft und die eine in sich geschlossene Querschnittskontur aufweist. Durch die
Anordnung einer derartigen Ausnehmung werden unter dem Einfluß der Zahnkräfte bei
den jeweils im Eingriff befindlichen Zähnen die elastischenVerformungen im Bereich
der Zahnflanken und damit die Kontaktfläche zwischen den sich berührenden Zähnen
wesentlich vergrößert wird. Dadurch kommt es neben einer Abnahme der Wälzpressung
zu einer Vergrößerung der elasto-hydrodynamischen Traganteile bzw. zu vollausgebildeten
elasto-hydrodynamischen Schmierfilmen. Hierdurch wird ferner ein praktisch verschleißloser
Betrieb erreicht, wobei wegen der bei Flüssigkeitsreibung geringeren Reibwerte ein
wenigstens teilweise mit derartigen Zahngetriebeelementen ausgerüstetes Getriebe
einer geringeren Wärmebelastung unterliegt.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Zahngetriebeelementes
ist darin zu sehen, daß selbst bei etwaigen Flankenrichtungsfehlern sich infolge
der größeren Zahnelastizität eine gleichmäßigere Lastverteilung über die Zahnbreite
ergibt, während bei herkömmlichen Verzahnungen derartige Flankenchtungsfehler wegen
der höheren Zahnsteifigkeit eher zu einem einseitigen Tragen der Verzahnung
und
damit zu einer größeren Bruchgefahr führen. Wenn auch durch die Anordnung der Ausnehmung
eine Schwächung des Zahnquerschnittes erfolgt, die zu einer gewissen Erhöhung der
Zahnbiegebeanspruchung führt, so bleibt doch die zu erwartende Festigkeitseinbuße
in Bezug auf die Zahnbiegebeanspruchung gering, da die Ausnehmung praktisch in der
neutralen Faser des Zahnes liegt. Die bei der Wälz- und Pressbeanspruchung erzielten
Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wiegen diesen Nachteil bei weitem auf.
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Die Querschnittskontur der Ausnehmung sowie die Größe der Ausnehmung
richtet sich im wesentlichen nach der vorgesehenen Belastung des Zahngetriebeelementes
sowie den Eigenschaften des gewählten Werkstoffes hinsichtlich Festigkeit und Elastizität.
Jet'nachdem kann es vorteilhaft sein, beispielsweise nur eine Ausnehmung mit geringem
mittleren Durchmesser etwa im Bereich des Teilkreises vorzusehen oder aber eine
Querschnittsform vorzusehen, die sich über einen gröoberen Höhenbereich des Zahnes
erstreckt.
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Aus der D T - O S 042 354 ist zwar eine Zahngetriebeanordnung für
Meßwerkzeuge und Präzisionsanzeigegeräte bekannt, bei dem die Zähne jeweils eines
Zahngetriebeelementes mit einem sich über die Zahnbreite erstreckenden, bis an den
Fußkreis reichenden Schlitz versehen sind. Dieser Schlitz soll Jedoch
dazu
dienen, etwaige Fertigungstoleranzen auszugleichen und eine gleichzeitige Anlage
beider Zahnflanken eines im Eingriff stehenden Zahnes durch eine entsprechende Verformung
der beiden Zahnkörperhälften zu erreichen, so daß jedes Zahnspiel vermieden wird.
Ein derartiges Getriebe ist jedoch für leistungsübertragende Getriebe nicht einsetzbar,
da durch die ständige Wechselbeanspruchung der beiden Zahnkörperhälften, die sich
insbesondere im Bereich des Zahnfußes auswirkt, schon nach kurzer Zeit Zahnbrüche
auftreten.
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Eine Vergrößerung der sich berührenden Kontaktflächen, wie sie das
Zahngetriebeelement gemäß der Erfindung auszeichnet, ist hierbei nicht möglich,
da im Bereich der miteinander in Berührung stehenden Zahnflanken eine Verformung
im Sinne einer Vergrößerung der KontaktS Be gerade miibstttfindet.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ausnehmung
jeweils mit einem vorzugsweise elastischen Werkstoff hoher Dämpfung ausgefüllt ist.
Hierdurch lassen sich die Zahnradgeräusche erheblich absenken, so daß die Schallschutzprobleme
bei Getrieben wesentlich vereinfacht werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
auf der der Verzahnung abgekehrten Seite jeweils wenigstens ein Strömungsmittelkanal
im Tragkörper angeordnet ist, der Jeweils in die Ausnehmung eines Zahnes mündet.
Durch die Anordnung eines derartigen Kanales lassen sich Kühlmittel
beispielsweise
in Form des rückgekühlten Schmiermittels in das Zahninnere einführen und so eine
gleichmäßige und geringe Wärmebelastung der Verzahnung erreichen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Ausnehmung jeweils an den Stirnseiten des Zahnes abgeschlossen ist. Dies hat
den Vorteil, daß beispielsweise der in der Ausnehmung befindliche Werkstoff hoher
Dämpfung nicht mit dem Schmiermittel des Zahnradgetriebes in Berührung kommt und
so auch im Dauerbetrieb keine chemische Zersetzung stattfinden kann. Sieht man gemäß
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung an wenigstens einer Zahnflanke eines
jeden Zahnes wenigstens eine Bohrung vor, die in die Ausnehmung mündet, so kann
das Schmiermittel,das über einen entsprechenden Strömungsmittelkanal in die Ausnehmung
hineingedrückt wird, direkt in den Bereich der sich berührenden Zahnflanken gebracht
werden, so daß die Ausbildung eines elastohydrodynamischen Schmierfilmes wesentlich
erleichtert wird. In Abwandlung hierzu kann die Bohrung auch im Bereich des Zahnkopfes
ausmünden.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
im Tragkörper für jeden Zahn ein weiterer mit der Ausnehmung verbundener Strömungsmittelkanal
angeordnet ist und daß ein Strömungsmittelkanal mit einer Zuleitung und der andere
mit einer Ableitung für ein Strömungsmittel verbunden ist.
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Diese Anordnung hat den Vorteil, daß zur Kühlung des Zahnes ein anderes
Strömungsmittel als das Schmiermittel verwendet
werden kann, so
daß eine wesentlich höhere Kühlung erzielt werden kann, da auf Probleme der Viskosität
keine Rücksicht genommen zu werden braucht. Da es außerdem möglich ist, das Kühlmittel
in einem gesonderten Kreislauf zu führen, können keine Verunreinigungen in das Kühlmittel
gelangen und so die Strömungsmittelkanäle und die Zu- und Ableitungen nicht im Laufe
des Betriebes verstopfen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Zahngetriebeelement
aus aufeinandergeschichteten und miteinanderverbundenen Blechen besteht. Diese Anordnung
hat den Vorteil einer wesentlich vereinfachten Herstellung.
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Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Zahngetriebeelementes der vorstehend bezeichneten Art. Während es bei geradverzahnten
Rädern keinerlei Schwierigkeiten bereitet, die Ausnehmungen im Verlaufe des üblichen
Fertigungsverfahrens in den Zähnen durch Bohren, Stoßen oder Ziehen anzubringen,
bieten schrägverzahnte oder spiralverzahnte Zahnräder in dieser Hinsicht einige
Schwierigkeiten.
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Zur -Lösung der zuletzt aufgezeigten Probleme wird daher gemäß der
Erfindung vorgeschlagen, daß zur Bildung des mit Zähnen
versehenen
Tragkörpers Bleche aufeinandergeschichtet und fest miteinander verbunden werden,
die den Zahnquerschnitt in einer Rohkontur aufweisen und in die vorher der Querschnittskontur
der Ausnehmungen in den Zähnen entsprechend Löcher eingestanzt sind, und daß anschließend
die endgültige Zahnform hergestellt wird. Die endgültige Zahnaußenform wird dann
in der üblichen Weise durch Fräsen, Schleifen etc. hergestellt, während die beispielsweise
bei einer Schrägverzahnung entstehende abgestufte Wandung der Ausnehmung unbearbeitet
bleiben kann. Ein weiterer Vorteil dieses Herstellungsverfahrens liegt darin, daß
mit den gleichen vorgestanzten Rohlingen sowohl geradverzahnte als auch schrägverzahnte
Zahnräder, Zahnstangen etc. aufgebaut werden können. Durch die Kombination von gestanzten
Rohlingen mit unterschiedlichem Durchmesser lassen sich auch Kegelzahnräder aufbauen.
Die Bleche können beispielsweise durch Löten, Schweißen, Kleben oder dgl.vefilninw
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner vorgesehen, daß zur
Bildung von Strömungsmittelkanälen und/ oder von an den Zahnflanken ausmündenden
Bohrungen in einem Teil der Bleche in der Blechebene verlaufende Rillen angebracht
werden. Dies hat den Vorteil, daß sowohl die Lage als auch die Form der Kanäle bzw.
Bohrungen beim Aufbau eines kompletten Zahnrades beliebig kombiniert werden kann.
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Erfindungsgemäß ist für das Verfahren zur Herstellung eines Zahngetriebeelementes
nach der Erfindung ferner vorgesehen, daß zur Herstellung der Ausnehmung Jeweils
zunächst der Zahn
mit einem bis zum Zahnkopf hin offenen Schlitz
versehen wird, der anschließend durch ein sich über die Zahnbreite erstrekkendes
Verschluß stück abgeschlossen wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich,
auch gemäß der bisherigen Herstellungsweise gefertigte Zahnradrohlinge beispielsweise
mit Schrägverzahnung mit einer entsprechenden Ausnehmung zu versehen, da der Schlitz
durch Fräsen oder auch durch Elektroerosion einfacher gefertigt werden kann. Es
ist hierbei lediglich zu berücksichtigen, daß der Schlitz im Bereich des Zahnkopfes
nur sehr schmal zu sein braucht, während er in dem tiefer liegenden Bereich sowohl
bezüglich der Lage als auch der Querschnittskontur der gewünschten Querschnittskontur
der Ausnehmung entspricht. Durch das eingesetzte Verschlußstück, das mit den durch
den Schlitz gebildeten beiden Zahnhälften fest verbunden wird, beispielsweise durch
Kleben, ergibt sich wieder ein kompakter Zahn, dessen Ausnehmung eine in sich geschlossene
Querschnittskontur aufweist.
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In Ausgestaltung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner vorgesehen,
daß bei aus übereinandergeschichteten Blechen aufgebauten Zahngetriebeelementen
das Verschlußstück als durchgehender Spannanker ausgebildet ist. Hierdurch wird
vermieden, daß unter dem Einfluß der Betriebslast die Verbindung der Bleche untereinander
in den äußeren Lagen überbeansprucht wird und bei Inhomogenitäten hinsichtlich der
Verbindung der Bleche untereinander diese in den Randzonen
unter
der Belastung "auSblättern".
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Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen für ein Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es zeigen: Fig.1 einen Axialschnitt durch ein Zahnrad mit Schmiermittelversorgung
gemäß der Linie I - I in Fig. 2 Fig.2 einen Querschnitt gemäß der Linie II - II
in Fig. 1 Fig.2a eine andere Ausführungsform der Schmiermittelbohrungen Fig.3 einen
Zahn eines aus Blechen aufgebauten Zahngetriebeelementes Fig.4 einen Schnitt gemäß
der Linie IV - IV in Fig.3 Bei dem in den Fig. 1 und 2 in Teilschnitten dargestellten
Zahnrad weisen die auf einem Tragkörper 1 angeordneten Zähne 2 in axialer Richtung
verlaufende Ausnehmungen 3 mit in sich geschlossener Querschnittskontur auf. Die
Form der Querschnittskontur und die Größe des Querschnitts der Ausnehmungen richtet
sich nach dem gewählten Zahnradwerkstoff und nach der Größe der Belastungen. Jinachdem
kann sich die Ausnehmung über die Höhe des Zahnes bis hin in den Bereich des in
Fig.1 durch die gestrichelte Linie 4 angedeuteten Fußkreises erstrecken. Auch bei
der Form der Querschnittskontur muß der Verlauf im Hinblick auf die gewünschte Verformung
zur Erziehinsichtlich
der asto-Hydrodynamik optimalen Kontaktfläche
der Zähne im Eingriff und unter Last berücksichtigt werden.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen jeweils
durch Deckel 5, 6 an ihren Enden abgeschlossen und jeweils ein radial verlaufender
Strömungsmittelkanal 7 vorgesehen, der in die Ausnehmung 3 mündet. Ferner sind Bohrungen
8 vorgesehen, die von der Zahnflanke ausgehend ebenfalls in die Ausnehmung münden.
Der Strömungsmittelkanal 7 steht über eine Ringnut 9 in der Welle, in der eine mit
der Ringnut in Verbindung stehende Querbohrung 10 und eine Längsbohrung 11 vorgesehen
ist, mit der Schmiermittelversorgung in Verbindung. Das Schmiermittel wird von der
Schmiermittelversorgung durch die Bohrung 11, 10 und den Ringkanal 9 über die einzelnen
Strömungsmittelkanäle 7 in die Ausnehmungen 3 gedrückt. Durch die Bohrungen 8 tritt
das Schmiermittel dann jeweils im Bereich der im Eingriff stehenden Zahnflanken
aus und sorgt so für eine gleichmäßige Schmiermittelversorgung der Zahnflanken.
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Anstelle einer Schmiermittelversorgung kann die Ausnehmung auch zur
Kühlung herangezogen werden. In diesem Fall werden die Bohrungen 8 weggelassen und
ein zweiter radial verlaufender Strömungsmittelkanal vorgesehen, der über eine weitere
Ringnut mit einer entsprechenden Ableitung in Verbindung steht, so daß die Ausnehmung
3 dann von dem Kühlmittel ständig durchströmt werden kann.
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In der einfachsten Ausführungsform, beispielsweise wenn aufgrund der
Belastung eine Tauchschmierung oder Sprühschmierung ausreicht, können sämtliche
Bohrungen 8 bzw. Strömungsmiftelkanale.7 entfallen und das Zahnrad in üblicher Weise
auf der Welle befestigt werden. läßt man die Ausnehmungen in diesem Falle offen,
so wird im Falle der Tauchschmierung dadurch, daß.das Innere der Ausnehmung jeweils
mit dem Schmieröl beim Eintauchen volläuft, ebenfalls gekühlt, Falls besondere Anforderungen
an die Geräuschdämpfung gestellt werden, wird die Ausnehmung mit einem elastischen
Werkstoff vorzugsweise hoher Dämpfung ausgefüllt. In diesem Falle kann es je nach
Wahl des Dämpfungswerkstoffes zweckmäßig sein, ebenfalls Abschlußdeckel 5 und 6
vorzusehen. In diesem Falle können sämtliche Bohrungen auch durch den Dämpfungswerkstoff
oder entsprechend eingesetzte kleine Rohre hergestellt werden, die radial am Zahnkopf
ausmünden.
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In den Fig. 3 und 4 ist am Beispiel eines Zahnes für eine Geradverzahnung
der Aufbau eines Zahngetriebeelementes dargestellt, das aus einzelnen übereinandergeschichteten
Blechen besteht. Die Bezeichnung Bleche beinhaltet hierbei nicht zwangsläufig die
ausschließliche Einsatzmöglichkeit metallischer Werkstoffe, sondern in gleicher
Weise können auch andere Zahnradwerkstoffe für dieses Herstellungsverfahren verwendet
werden. Wie der uuerschnitt gemäß Fig. 3 zeigt, sind mehrere Bleche 12 entsprechend
der gewünschten Zahnbreite aufeinandergelegt. Die Bleche sind hierbei vorher beispielsweise
gestanzt
worden, wobei die Kontur der Ausnehmung 3' ihre endgültige
Querschnittsform aufweist, während die Außenkontur des Zahnes selbst lediglich eine
Rohkontur mit einer entsprechenden Bearbeitungszugabe darstellt. Bei dem dargestellten
Beispiel ist die Ausnehmung in Form eines bis zum Zahnkopf durchgehenden Schlitzes
hergestellt worden, in den nach dem Zusammenfügen der Bleche ein sich über die ganze
Zahnbreite erstreckendes Verschlußstück X eingesetzt ist, das gleichzeitig als durchgehender
Spannanker dient. Das Verschlußstück wird zweckmäßigerweise vor der endgültigen
Fertigung der Zahnflanken eingesetzt und entsprechend mit bearbeitet.
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Das Verschlußstück ist durch Schweißen, Kleben oder dergleichen fest
im Zahnkopf eingesetzt. Die Wirkung als Spannanker ergibt sich durch an den Stirnseiten
eines jeden Zahnes überstehende Teile des Verschlußstückes, die in den Fällen, in
denen die Ausnehmung an den beiden Stirnseiten im Hinblick auf eine Schmierölversorgung
abgeschlossen sein soll, entsprechend weit heruntergezogen sind, wie dies bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 durch die beiden Stirnlaschen des Verschlußstückes
14 bzw. 14' dargestellt ist.
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Der Strömungsmittelkanal 7' bzw. die Bohrungen 8' sind durch entsprechende
Rillen bei einem Teil der Bleche verwirklicht.
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Die Anordnung eines durchgehenden Schlitzes im Bereich des Zahnkopfes
und die Anordnung eines Verschlußstückes ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt, sondern läßt sich auch bei Zahngetriebeelementen aus einem massiven
Werkstoff
einsetzen. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn ein Zahnrad mit Schrägverzahnung
hergestellt werden sol, da ein derartiger Schlitz die Fertigung der Ausnehmung durch
einen entsprechend geführten Fräser erlaubt. Die Herstellung von Schrägverzahnungen
mit Hilfe des anhand der Fig. 3 erläuterten Verfahrens bietet ebenfalls eine große
Vereinfachung, da durch eine entsprechend in Umfangsrichtung des herzustellenden
Rades oder einer Zahnstange oder dergleichen versetzte Anordnung der Bleche zueinander
die Grundkontur für die Verzahnung erzeugt werden kann. Stanzt man hierbei aus den
Blechen im Bereich der Zähne entsprechende Ausnehmungen in der gewünschten Form
mit einer geschlossenen Kontur auf, so braucht nach dem Verbinden der Bleche untereinander
nur noch im üblichen Verfahren, beispielsweise durch Abwälzfräsen und Schleifen
die endgültige Zahnform gefertigt zu werden.
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In Fig. 2a ist eine andere Ausführungsform für die Schmiermittelbohrungen
an einem Zahn dargestellt. Anstelle der Bohrungen 8 in Fig.1 und 2 ist mindestens
eine vom Zahnkopf her radial verlaufende Bohrung 15 vorgesehen, die in die Ausnehmung
3 mündet. Diese Bohrung fluchtet zweckmäßigerweise mit dem Strömungsmittelkanal
7, so daß beide in einem Arbeitsgang hergestellt werden können.
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Will man die an den Zahnflanken ausmündenden Bohrungen 8 verwenden,
dann kann bei der Herstellung des Kanals 7 in gleicher Weise verfahren werden, nur
daß die Mündung am Zahnkopf anschließend verschlossen wird.
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Ansprüche