DE2656946A1

DE2656946A1 - Zahnwellenverbindung

Info

Publication number: DE2656946A1
Application number: DE19762656946
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr Ing Schoepf
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1976-12-16
Filing date: 1976-12-16
Publication date: 1978-06-29
Also published as: US4175404A

Description

Daimler-Benz Aktiengesdllschaft
Stuttgart-Untertürkheim

Palm 1 1 2o8 /h

Zalmwellenverbindung

Die Erfindung betrifft eine beispielsweise aus der DT-PS 1 Jf25 231 bekannte Zahnwellenverbindung xiach dem Oberbegriff von Anspruch 1 .

Die Zielsetzung bei der Schaffung der durch die DT-PS 1 h25 231 vorbekannten Zahnwellenverbindung war die, durch gezielte Bemessung des über die axiale Erstreckung der Zahnwell enverbiudung hinweg veränderlichen Zahnflankenspieles die Lebensdauer der Zahnwellenverbindung zu erhöhen. Es wurde bei der vorbekannten Zahnwellenverbindung aus diesem Grunde ein über die gesamte Erstreckung der Verbindung hinweg sich linear veränderndes Zahnflankenspiel vorgesehen, wobei das maximale Zahnflankenspiel in der Größe der maximalen Zahndeformation bzw. der maximalen Wellentorsion unter Belastung war.

Diese Ausgestaltung der Zahnwellenverbindung hat verschiedene Nachteile: Zum einen ist sie wegen der erforderlichen Umfangszentrierung von Welle und Nabe nur durch sehr genau und zwar spanabhebend bearbeitete Umfangsflächen möglich.

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Dies setzt eine entsprechende spanabhebende Bearbeitung voraus, die zumindest bei der Massenfertigung derartiger Verbindungen unvertretbar kostspielig ist. Ferner hat die Praxis
gezeigt, daß mit derartigen Maßnahmen ausgeprägte Spannungsspitzen auf der dem Kraftfluß zugekehrten Seite der Zahnwellenverbindung und von ihnen ausgehende Dauerbrüche nicht vermieden werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Spannungsspitzen
an Zahnwellenverbindungen der zugrunde liegenden Art so stark abzubauen, daß Dauerbrüche auch ohne kostspielige dauerfestigkeitssteigernde Maßnahmen am Werkstoff normalerweise nicht
mehr zu befürchten sind· Diese Aufgabe wird orfindungsgemäD
durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Aufgrund der tangential sich voneinander abhebenden Zahnflanken bei Deginn der Spiolerweiterung kommt es bei Belastung infolge der Verformung zu einer Abplattung der in Axialrichtung gekrümmt ausgebildeten Zahnflanke und somit zu einer allmählichen, lastabhängigen Verlängerung der Berührungslänge. Im übrigen wird durch die Krümmung der Zahnflanke in Axialrichtung und das tangentiale Abheben die Stelle größter Spannung axial auf einen größeren Bereich verteilt. Da derartige Zahnwellenverbindungen in der Regel mit einem Lastkollektiv, d. h. mit
Lasten unterschiedlicher Höhe und unterschiedlicher Frequenz
beansprucht werden, verlagert sich entsprechend der Höhe der
Belastung der Beginn der Zahnflankenberührung in Axialrichtung und dementsprechend wandert nach Maßgabe der Belastungsstärke der Ort der höchsten Beanspruchung. Es findet also eine axiale Streckung und somit ein Abbau der Belastungsspitze und eine
zeitliche Verteilung der Einwirkungsstelle auf einen größeren Bereich durch die erfindungsgemäßo Ausgestaltung der Zahnwellenverbindung statt. Zwar kann die Erfindung auch auf fremdzentrierte oder am Umfang selbst zentrierte Zahnwellenverbindungen angewandt wer-

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den, die als Ganzes odor wenigstons teilweise spanabhebend gefertigt werden. Dank des tangentialen Verlaufes der Spielerweiterung und dor sich, dadurch ergebenden wenigstens geringfügigen Zentrierlänge kann aber grundsätzlich auch eine Flankenzentriorung der Zahnwellonverbindung vorgesehen sein. Hierin liegt für dio Großsorionanwendung ein besonderer Vor-

ος}βΓ Querwalzteil, da spanlos z. B. im LangsyVerfahren hergestellte Wellenverzahnungen lediglich hinsichtlich der Flankenform und der Zahnstärke sehr genau, nicht aber hinsichtlich des Zahnkopfdurchmessers genau gefertigt werden können. Die Anwendbarkeit der Flankenzentriorung bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Zahnwollonverbindung ist ein besonderer Vorteil für die Anwendung in der Massenfertigung.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele noch kurz erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer Zahnwel-1enve rb indung,

Fig. 2 einen achssenkrechten Schnitt durch die Welle mit axialer Ansicht auf die Zahnwe11enverbindung (Linie II-II in Fig. 1),

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit III in Fig. 2,

Fig. k ein abgewickelter Zylinderschnitt (Linie IV-IV in Fig. 3)1 wobei das Flankenspiel in Umfangarichtung stark übertrieben dargestellt ist,

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Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zalmvellenverbindung iiiii aus der Vellenlcontur herausragender Wellonverzahnung und

Fig. 6 eine Gegenüberstellung des Spannungsverlaufes entlang der axialen Erstreckung der Zahnwellenverbindung bei herkömmlichen und bei erfindungsgemäßen Zahnwellenverbindungen.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Zahnwellenverbindung sind eine Welle 1 und eine Nabe 2 durch eine Verzahnung 4/5 formschlüssig miteinander verbunden. Die Nabe besteht aus einem Nabenflansch 3 und einer Nabenschulter 3a. An dem einen Ende der Welle 1 ist die Verzahnung 4 angebracht, die im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 4 als eingearbeitet© Verzahnung ausgebildet ist. Entsprechend ist im Innern der Nabe eine Innenverzahnung 5 angebracht. Die Verzahnung 4 und 5 ist initjevolventenförmigon Flanken ausgebildet und kann daher maßgenau mit gradflankigen Werkzeugen im Abwälzverfahren hergestellt werden. Zweckni<Mßigerweise wird die Wellenverzahnung durch einen spanlosen Roll- oder

ii al ζ vor gang zwischen zwei entsprechend geformten Zahnstangenwerkzeugen hergestellt} diese Art der Fertigung ist für die Mas seniler s teilung besonders gut geeignet. Es lassen sich damit Wellenzähne mit sehr hoher Zahnfestigkeit und mit hoher Flankengenauigkeit in jedor gewünschten Toloranzlage fertigen. Während die Zahnflanken 6 durch einen solchen spanlosen Walzvorgang sehr genau gefertigt werden können, müssen für die Durchmessorlage der Zahnköpfe 4a und für die Zahngründe 4b der Vellenzühne 4 größere Toleranzbreiton in Kauf genommen werden. Die Nabenverzahnung 5 wird zweckmäßigerwoise

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durch einen Räumvorgang hergestellt. Hierbei ergeben sich die Nabenzahnköpfe 5a aus dem zunächst spanabhebend vorbearbeiteten Innendurchmesser der Nabe; die Durchmesserlage der Nabenzahnköpfe 5a kann daher sehr enß toleriert sein. Die Nabenzahngründe 5t> dienen als Bearbeitungsauslauf für die Nabenzahnflanken 7? sie sind für eine Umfangszentrierung der Verzahnung aufgrund dieser Form ungeeignet.

Die höchstboanspruchte Stelle der Verzahnung liegt auf der dom Kraftfluß 8 zugekehrten Stirnseite 9 der Zahnwellenverbindung; die entlastete Stirnseite der Verbindung ist die Seite 1o. Von den beiden in Eingriff stehenden Verzahnungen h und 5 ist die Wellenverzahnung k eindeutig die höherbelasteto. Normalerweise tritt unter Last an der Stelle 9 im Wellenzahn eine Spannungsspdtze auf.

Zur Reduzierung und zur axialen Streckung dieser Spannungsspitze sind erfindungsgemäß die Zahnflanken 6 der Wellenzähne k in Richtung auf die belastete Seite 9 der Zahnwellenverbindung tangential zugeschnitten. Der Zuschnitt ist nur auf einen Teilbereich - Zuschnittlänge 1 - der axialen Konstruktionslänge der Zahnwellenverbindung beschränkt. In dem verbleibenden Bereich - Zentrierlänee 1 - sind die

V ^e Zähne h bzw. die Gegenzähne 5 spielfrei/ineinandergepaßt} die Zahnwellenverbindung wird aufgrund der an den Flanken aneinanderliegenden Zähne selbst zentriert. An der Übergangsstelle 13 zwischen Zentrierlänge und Zuschnittlänge hebt die Flanke 6 des schmaler werdenden Wellenzahnes k tangential von dem über die ganze Länge streng prismatisch ausgebildeten Nabenzahn 5 bzw. dessen Flanke 7 ab. Die Kon-

*) (. h. mit Übergangspassung oder Überdeckung)

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tür der Zahnflanke im Zylinderschnitt der Fig. k gesehen hat kreisbogenförmigen Verlauf, was in Fig. h durch den Radiuspfeil R¹ angedeutet ist. Durch eine derartige Konturierung ergibt sich mit zunehmender axialer Entfernung vom Beginn 13 ein progressiv zunehmendes Flankenspiel s. Die im Bereich der Zuschnittlänge 1 dargestellte Zahnflankenkontür kann als grafische Darstellung eines mathematischen Gesetzes über das Zahnflankenspiel als Funktion der Axialkoordinate - Spielerweiterungsfunktion - verstanden werden. In Fig. k ist als strichpunktierte Linie f' die erste Ableitung des Zahnflanlcenspieles nach der Axialkoordinate der Spielerweiterungsfunktion eingetragen. Innerhalb des Bereiches der Zuschnittlänge 1 stellt sich diese Ableitungsfunktion f' mit sehr guter Näherung als gerade ansteigende Linie dar. Bei Beginn 13 des Zuschnittes geht diese Linie durch Null. Dies besagt, daß die Spielerweiterungsfunktion bzw. die gekrümmte Flankenkontur tangential uiid sehr vorsichtig von der Gegenflanke 7 abhebt. Durch dieses sanfte Abheben der Wellenzahnflanke ergibt sich eine Verbreiterung der höchstbelasteten Stelle der Zahnflanken in Axialrichtung und somit ein Abbau der Spannungsspitzen. Unter Last wird sich die belastete Zahnflanke des Wellonzahnes affin deformieren. Dadurch wird der Beginn der Berührung der gekrümmten Zahnflanke weiter in Richtung auf die belastete Seite 9 vorrükken; d. h. der Ort der höchsten Belastung ist örtlich nicht festgelegt, sondern verlagert sich in Axialrichtung. Hierdurch wird ein höheres Werkstoffvolumen zur Aufnahme der höchsten Beanspruchung mit herangezogen, wodurch im Hinblick auf Ermüdungsbrüche eine spürbare Werkstoffentlastung

eintritt. Optimal ist es, wenn in grober Näherung die Zuschnittlänge , , . , ,

I₂, glexchlang ist wie die Zentrierlänge 1 .

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In Fig. 6 ist der Spannungsverlauf in Axialrichtung über die Zahnwellenverbindung hinweg aufgetragen. Und zwar ist der Spannungsverlauf bei herkömmlichen Zahnwellenverbindungen - strichpunktierte Linie - dem Spannungsverlauf bei erfindungsgemäßen Zahnwellenverbindungen - volle Linie gegenübergestellt. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist die Spannungsspitze um wenigstens 3o $ niedriger und der Spannungsverlauf ist wesentlich ausgeglichener als bei herkömmlicher Ausgestaltung.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zahnwellenverbindung mit sogenannter aufgesetzter Wellenverzalinung dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist - mit übertriebener Überhöhung - gezeigt, wie am Übergangspunkt 13 zwischen dem Bereich der Zentrierlänge 1 und dem Bereich der Zuschnittlänge 1 der Zuschnitt mit kreisbogenförmigem Verlauf einsetzt. Der Krümmungsmittelpunkt lh liegt senkrecht oberhalb des Übergangspunktes 13· Das Evolventenprofil ist entlang einer kroisbogenförmigen Kontur radial nach innen verschoben - Krümmungsradius R.

Neben den bereits erwähnten Vorteilen einer deutlichen Werkstoffentlastung und der Anwendbarkeit in der spanlosen Fertigung hat die Erfindung den weiteren Vorteil, daß aufgrund besserer Werkstoffausnutzung die Abmessungen einer Zahnwellenverbindung bei gleicher Belastungshöhe kleiner gestaltet werden kann, wodurch sich außerdem leichtere Konstruktionen ergeben. Dies ist grade im Fahrzeugbau besonders wichtig. Durch die erfindungsgemäße Werkstoffentlastung kann u. U. sogar ein Härtevorgang der Zähne der Zahnwellenverbindung eingespart werden. Im übrigen lassen sich die Vorteile der Erfindung mit nur sehr geringfügigen

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Änderungen an den Verzahnungswerkzeugon ohne weiteres in die Fertigung einführen. Es brauchen lediglich an den für das Walzen der Verzahnung in die Welle vorwendeten Zahnstangen entsprechende - negative - Zuschnitte vorgesehen sein. Dies ist beim heutigen Stand in dor Technologie spanloser Formung und beim entsprechenden Stand der Werkzeuggestaltung ohne weiteres möglich.

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Leerseite

Claims

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Ansprüche

/1. , Zahnwellenverblndung zwischen einer Welle und einer Nabe mit einor Vielzahl von axial sich erstreckenden formschlüssig ineinandergreifenden Zähnen und Zahnlücken bzw. Gegenzähnen und Gogenzahnlücken, wobei zwischen den Flanken von sich berührenden Zähnen bzw. Gegonzähnen ein entlang der Richtung der axialen Erstreckung sich erweiterndes Zahnflankenspiol vorgesehen ist, welches in der Größenordnung der elastischen Deformation von Zahn oder Gogenzahn unter Last bemessen ist, dadurch gekennzeichnet , daü die Zähne (k) und Gegenzähne (5) wenigstens auf einem kleinen Bruchteil - Zentrierlänge (l ) - der axialen Erstreckung (l) der Zahnwellenverbindung wenigstens annähernd gleichmäßig spielfrei ineinander eingreifen und auf dem verbleibenden Teil - Zuschnittlänge (l.) - der axialen Erstreckung (l) mit einem sich in Richtung auf das der Kraftflußrichtung (o) entgegenweisende stirnseitige Ende (9) der Zahnwellenverbindung erweiternden Zahnflankenspiel (s) ausgebildet sind, wobei die Erweiterung des Zahnflankenspiels (s) nach einem solchen Gesetz: Zahnflankenspiel als Funktion der Axialkoordinate (z) - Spielerweiterungsfunktion - erfolgt, dessen erste Abloitung (f) des Zahnflankenspiels (s) nach der Axialkoordinate (z) an der Stelle (13) des Beginns der Spielerweiterung gleich Null ist.

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2. Zahriwellenvorbiiidung nach Anspruch I₁ dadurch ge kennzeichne t , daß die Zahnwollenverbindung im Bereich der Zentrierlänge (l ) über die Zalmflan-

ken (6 und 7) der in Eingriff stehenden Zähne (k) und Gegenzühne (5) zentriert ist.
3· Zahnvellenverbindung nach Anspruch 1 odor 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (5) und Zahnlücken des Nabenteiles (2) der Zahnwellenverbindung über deren ganze axiale Erstreckung (l) streng prismatisch und die Zähne (4) des Wellenteils (i) im Beroich der Zuschnittlänge (l ) mit abnehmender Breito ausgebildet sind.
4. Zahnwellenverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 31 dadurch gekennzeichnet, daß die Spiolerweiterungsfunktion sich als Kreisbogen darstellt, deren Mittelpunkt (i4) über der Stelle (13) des Beginns der Spielerweiterung liegt.
5. Zahnwellonverbinduiig nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflankon (6 bzw. 7) evolventenförmig ausgebildet sind.
6. Zatenwellenverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß der tfellenteil (1) der Zahnwellenverbindung spanlos durch eine abwälzende Massivumformung eines zunächst glattzylindrischen Zapfens zwischen zwei Walzwerkzeugen hergestellt ist.

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Zalmwellonvorbindung nach einem der Ans])rüc]io 1 bis C, dadurch gekennzeichnet., daß die Zentriorläiige (l ) etwa gleich der Zuschnittläiißo (1 ) bornessen isst.

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