DE2818332A1 - Verfahren zur herstellung einer antriebswelle mit balligen aussenkeilzaehnen - Google Patents
Verfahren zur herstellung einer antriebswelle mit balligen aussenkeilzaehnenInfo
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Description
NAQHG
£R£jOHt|
75-CLP-246
EATON CORPORATION 100 Erieview Plaza, Cleveland, Ohio 44114, V.St.A.
Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle mit balligen Außenkeilzähnen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Antriebswelle mit balligen Außenkeilzähnen.
Aus der nachstehenden Erläuterung folgt, daß die vorliegende
Erfindung überall dort anwendbar ist, wo eine Welle mit einer Gruppe von balligen Evolventenaußenkeilzähnen
ausgestattet ist, die Drehmoment zu oder von einer Gruppe von geraden Evolventeninnenkeilzähnen übertragen, wobei
die Innen- und Außenkeilzähne unter Bildung einer Art Universalgelenk miteinander zusammenwirken und wobei die Achse
der die Außenkeilzähne tragenden Welle nicht parallel zu der Achse des zugehörigen Bauteils mit der Gruppe von Innenkeilzähnen
verläuft. Dementsprechend eignet sich der Erfindungsgegenstand für eine einzelne Gruppe von balligen
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Außenkeilzähnen auf einer Welle, an deren anderem Ende eine andere Art von Universalgelenk vorgesehen ist, ebenso
wie für eine Antriebswelle, die an beiden Enden Gruppen von balligen Außenkeilzähnen tragt.
Der Erfindungsgegenstand ist von besonderem Vorteil bei
einer Antriebsverbindung zum Übertragen von Drehmoment zwischen einem Bauteil, das eine reine Drehbewegung ausführt,
und einem Bauteil, das sowohl eine kreisende Bewegung als auch eine Drehbewegung ausführt. Eine solche
Antriebsanordnung findet sich im allgemeinen bei fluidbetätigten Rotationskolbenvorrichtungen (insbesondere Motoren
oder Pumpen), die mit einem parallel- und innenachsigen Rädersatz, bestehend aus einem außenverzahnten
Innenzahnrad und einem damit in Kämmeingriff stehenden innenverzahnten Außenzahnrad (im folgenden kurz als Gerotorzahnradsatz
bezeichnet) versehen sind.
Fluidmotore mit einem Gerotorzahnradsatz zur Umwandlung
eines Fluiddruckes in eine Rotationsbewegung haben weite Verbreitung gefunden; sie eignen sich insbesondere für
Anwendungen, bei denen niedrige Drehzahlen und hohe Drehmomente auftreten. Bei den meisten kommerziell verfügbaren
Fluidmotoren dieser Art ist einer der Hauptfaktoren,
welche die Drehmomentabgabefähigkeit des Motors begrenzen,
die Festigkeit der Antriebsverbindung, die das Drehmoment
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von dem kreisenden und rotierenden Bauteil (Rotor) des Gerotorzahnradsatzes auf die Abtriebswelle des Motors
überträgt. Typischerweise umfaßt diese Antriebsverbindung eine von dem Rotor gebildete Innenkeilverzahnung,
eine von einem vergrößerten Teil der Abtriebswelle gebildete Innenkeilverzahnung und eine Hauptantriebswelle,
die an beiden Enden mit den Innenkeilverzahnungen in Eingriff stehende Außenkeilverzahnungen trägt. Die
Innenkeilzähne sind in der Regel gerade, während die Außenkeilzähne ballig sind, um den Winkel zu berücksichtigen,
den die Antriebswelle mit Bezug auf die .Drehachse des Motors bildet.
Ballige Keilzähne werden für gewöhnlich durch steigendes
und fallendes Wälzfräsen hergestellt, insbesondere wenn es sich um große Produktionsvolumen handelt. Wenn eine
ballige Außenkeilverzahnung durch steigendes und fallendes Wälzfräsen gefertigt wird, sind die einzelnen Keilzähne,
wie bekannt, normalerweise symmetrisch mit Bezug auf eine Mittelebene, die senkrecht zu der Achse der Antriebswelle
verläuft, wobei die Ebene jeden der Keilzähne an der theoretischen "Spitze" der Wölbung schneidet. Wie
außerdem bekannt ist, muß ferner der Wölbungswinkel der
Außenkeilzähne ausreichend groß bemessen sein, damit in jedem axialen Abstand von der Mittelachse entlang dem
Außenkeilzahn ein Spiel zwischen dem Außenkeilzahn und
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dem benachbarten Innenkeilzahn (gemessen senkrecht zur
Flanke des Außenkeilzahns bei zu der Achse der Innenkeilzähne
paralleler Achse der Welle) verbleibt, um während des Betriebes der Vorrichtung eine störende Beeinflussung
zwischen benachbarten Keilzähnen zu verhindern.
Zu den Faktoren, die die Drehmomentbelastbarkeit dieser Art von Antriebsverbindung bestimmen, gehören die Keilzahnlänge
(d.h. die axiale Länge der einzelnen Außenkeilzähne) und der Schaftdurchmesser (d.h. der Durchmesser
der Welle zwischen den Außenkeilverzahnungen). Ein Versuch, die Drehmomentbelastbarkeit einer Antriebswelle zu
erhöhen, indem entweder die Zahnlänge oder der Schaftdurchmesser vergrößert werden, wird durch die wechselseitige
Abhängigkeit dieser beiden Faktoren begrenzt. Wenn bei Außenkeilzähnen, die durch steigendes und fallendes
Wälzfräsen hergestellt werden, die Zahnlänge vergrößert wird, nimmt die Schnittiefe in Richtung auf die Enden
der Keilverzahnung zu. Der Schaftdurchmesser müßte infolgedessen verringert werden; andernfalls würde der Wälzfräser
in den dem Ende des Keilzahns benachbarten Schaft eindringen und den Schaft schwächen. Wenn umgekehrt der Schaftdurchmesser
vergrößert wird, müßte die Keilzahnlänge verringert werden, um die Schnittiefe an den Enden des Keilzahns
zu verkleinern und dadurch ein Eindringen des Wälzfräsers in den Schaft zu verhindern.
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Neben der Drehmomentbelastbarkeit ist auch die Lebensdauer
der Keilzähne in Betracht zu ziehen. Als grober Anhalt gilt, daß bei vorgegebenem Drehmoment die Lebensdauer
der Keilzähne ungefähr proportional der Keilzahnlänge
ist, oder daß bei vorgegebener Keilzahnlebensdauer das Drehmoment näherungsweise proportional der Keilzahnlänge
ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
Antriebsverbindung der geschilderten Art zu schaffen,
die es gestattet, die Drehmomentbelastbarkeit und/oder die Lebensdauer der Verbindung zu erhöhen. Es sollen eine
Antriebswelle und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Welle erhalten werden, die die Möglichkeit bieten,
entweder die Keilzahnlänge oder den Schaftdurchmesser zu vergrößern, ohne daß eine proportionale Verkleinerung
der jeweils anderen Abmessung notwendig wird, so daß die Leistungsfähigkeit der Antriebswelle als Ganzes
gesteigert wird. Insbesondere soll ein Verfahren zum Wälzfräsen einer Gruppe von balligen Evolventenaußenkeilzähnen
auf einer Welle der vorstehend geschilderten Art geschaffen
werden, wobei in jedem beliebigen vorgegebenen Axialabstand entlang dem Keilzahn von der Mittelebene die
Schnittiefe .vermindert wird, ohne daß es zu einer Verkleinerung
des Spiels zwischen dem Außenkeilzahn und dem benachbarten Innenkeilzahn kommt.
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- 1O -
Die vorstehend genannten Verbesserungen sollen erreicht werden können, ohne daß die balligen Außenkeilzähne von
der echten Evolventenform wesentlich abweichen.
Eine Antriebswelle der vorliegend betrachteten Art weist
eine erste und eine zweite Gruppe von axial verlaufenden, balligen Außenkeilzähnen zum Übertragen von Drehmoment
zwischen einer ersten und einer zweiten Gruppe von geraden Innenkeilzähnen auf. Die Gruppen der geraden Innenkeilzähne
haben eine Exzentrizität E, während die beiden Gruppen der balligen Außenkeilzähne eine im wesentlichen
senkrecht zu der Achse der Welle ausgerichtete Mittelebene
aufweisen. Die Welle hat eine axiale Länge L zwischen der ersten und der zweiten Mittelebene; sie bildet
einen Laufwinkel A = aresin E/L. Jeder der Außenkeilzähne
hat einen primären Eingriffswinkel 0_; er ist ausreichend
ballig gemacht, um für ein Spiel X zwischen dem Außenkeilzahn und dem benachbarten Innenkeilzahn bei jedem
vorgegebenen axialen Abstand Y entlang dem Außenkeilzahn von der Mittelebene zu sorgen. Das Spiel X und der
axiale Abstand Y sind durch die Gleichung X=Y tan A miteinander verknüpft. Entsprechend dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird ein Wälzfräser mit Schneidzähnen mit einem Eingriffswinkel 0U verwendet, wobei 0.. größer als 0_ ist.
π Ho
Der Wälzfräser wird zum Wälzfräsen der Keilzähne gedreht.
Gleichzeitig wird der Wälzfräser in Längsrichtung der
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Außenkeilzähne derart vorgeschoben, daß die Achse des Wälzfräsers einer von einer variablen Größe Z bestimmten
Bahn folgt. Die Größe Z ist die radial einwärts gerichtete Bewegung (d.h. die Schnittiefe) des Wälzfräsers
von einer Bezugslinie in Richtung auf die Achse der Antriebswelle und entspricht der folgenden Gleichung:
w tan A
sin
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beiliegenden
Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Axialschnitt eines Fluidmotors
mit keilverzahnter Antriebswelle,
Fig, 2 ■ in stark vergrößertem'Maßstab eine
schematische Darstellung der Keilzahnverbindung, die bei dem Fluidmotor
nach Fig. 1 vorgesehen ist,
Fig. 3 eine schematische Darstellung, die
das Wälzfräsen einer Gruppe von balligen Außenkeilzähnen erkennen läßt,
809844/098$
Fig. 4α einen Teilquerschnitt durch einen
balligen Keilzahn, der in bekannter Weise gefertigt ist,
Fig. 4b einen Teilquerschnitt durch einen
balligen Keilzahn, der in erfindungsgemäßer Weise ausgebildet ist,
Fig. 5 einen Teilschnitt durch einen balli
gen Keilzahn entlang einer zur Keilzahnflanke senkrechten Ebene in
größerem Maßstab als in Fig. 2 jedoch kleinerem Maßstab als in Fig. 3, und
Fig. 6 einen Querschnitt eines Wälzfräser
zahnes, der verschiedene vorliegend eine Rolle spielende geometrische
Eigenschaften erkennen läßt.
Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt eines Fluidmotors für den
sich die im folgenden näher erläuterte Antriebswelle besonders eignet. Motoren dieser Art sind an sich bekannt
(US-PS 3 572 983 und US-PS 3 862 814). Bei dem Hydraulikmotor
nach Fig. 1 handelt es sich um einen Motor mit einem eine kreisende Bewegung ausführenden Bauteil. Fluidbetätigte
Vorrichtung dieser Art lassen sich nicht nur als Motor
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sondern auch als Pumpe betreiben. Der im folgenden verwendete
Begriff "Motor" soll infolgedessen Pumpen keineswegs ausschließen.
Der Hydraulikmotor 11 besteht aus mehreren Abschnitten
die, beispielsweise mit Hilfe einer Reihe von (nicht dargestellten) Bolzen, zusammengehalten sind und zu denen
ein Wellengehäuse 13, eine Verschleißplatte 15, ein parallel- und innenachsiger Rädersatz 17, eine Zwischenplatte
19 und ein Schiebergehäuse 21 gehören.
Der parallel- und innenachsige Rädersatz 17 ist in bekannter
Weise ausgebildet und daher vorliegend nur kurz erläutert.
Er umfaßt einen innenverzahnten Zahnring 23 mit einer Mehrzahl von Innenzähnen, die bei der vorliegenden
Ausführungsform von mehreren zylindrischen Bauteilen 25
gebildet werden, die in bekannter Weise in halbzylindrischen Ausnehmungen des Zahnringes 23 sitzen. In dem Zahnring
23 sitzt exzentrisch mit Bezug auf den Zahnring ein außenverzahntes Zahnrad 27, dessen Zähnezahl typischerweise
um eins kleiner als die Anzahl der zylindrischen Zähne 25 ist. Das außenverzahnte Zahnrad 27 kann mit Bezug
auf den innenverzahnten Zahnring 23 eine kreisende und rotierende Bewegung ausführen, im Verlaufe deren eine
Mehrzahl von sich vergrößernden und verkleinernden Kammern 29 gebildet wird.
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Entsprechend Fig. 1 weist der Motor 11 eine Antriebs-Abtriebswelle
31 auf, die innerhalb des Wellengehäuses 13 sitzt und dort mit Hilfe von Lagern 33 und 35 drehbar abgestützt
ist. Die Welle 31 ist mit einer Gruppe von geraden Evolventeninnenkeilzähnen 37 versehen, mit denen eine
Gruppe von balligen Evolventenaußenkeilzähnen 39 in Eingriff steht, die am einen Ende einer Hauptantriebswelle
41 ausgebildet sind. Am gegenüberliegenden Ende der Hauptantriebswelle 41 befindet sich eine weitere Gruppe
von balligen Evolventenaußenkeilzähnen 43, die mit einer Gruppe von geraden Evolventeninnenkeilzähnen 45 in Eingriff
stehen, die am Innenumfang des außenverzahnten Zahnrades 27 angeordnet sind. Weil bei der vorliegenden Ausführungsform
der innenverzahnte Zahnring 23 sieben zylindrische Innenzähne 25 aufweist, führen sieben Kreisbewegungen
des außenverzahnten Zahnrades 27 zu einer vollständigen Umdrehung des Zahnrads 27 und damit zu einer vollständigen
Umdrehung der Hauptantriebswelle 41 und der Antriebs-Abtriebswelle
31.
Gleichfalls in Eingriff mit den Innenkeilzähnen 45 steht eine Gruppe von Keilzähnen 47, die am einen Ende einer
Schieberantriebswelle 49 ausgebildet sind, die an ihrem gegenüberliegenden Ende eine weitere Gruppe von Außenkeilzähnen
51 trägt. Die Außenkeilzähne 51 stehen mit einer Gruppe von Innenkeilzähnen 53 in Eingriff, die am Innen-
809844/098$ ^.r^- &&&'l**
• \ ' _ is -
umfang eines Schiebers 55 ausgebildet sind. Der Schieber
55 sitzt drehbar innerhalb des Schiebergehäuses 21. Die
Schieberantriebswelle 49 steht über die Keilverzahnungen sowohl mit dem außenverzahnten Zahnrad 27 als auch mit
dem Schieber 55 in Eingriff, um in bekannter Weise für einen zweckentsprechenden Schiebertakt zu sorgen.
Das Schiebergehäuse 21 ist mit einem Fluidanschluß 57 versehen, der mit einer den ringförmigen Schieber 55 umgebenden
Ringkammer 59 in Verbindung steht. Fluid wird von der Ringkammer 59 über mehrere Schieberdurchlässe 61
zu dem Rädersatz 17 geleitet oder von diesem kommend aufgenommen. Der Schieber 55 bildet ferner eine Mehrzahl von
Schieberdurchlässen 63. Gelangt unter hohem Druck stehendes Fluid vom Fluidanschluß 57 über die Schieberdurchlässe
61 zu den sich vergrößernden Kammern des Rädersatzes 17, wird von den sich verkleinernden Kammern kommendes, unter
niedrigem Druck stehendes, abströmendes Fluid über die Schieberdurchlässe 63 einer Fluidkammer 65 zugeleitet, die
mit einem zweiten (nicht gezeigten) Fluidanschluß in Verbindung steht. Die Arbeitsrichtung des Motors 11 kann in
bekannter Weise umgekehrt werden, indem unter hohem Druck stehendes Fluid in den zweiten (nicht veranschaulichten)
Fluidanschluß eingeleitet wird, der mit der Fluidkammer
und den Schieberdurchlässen 63 in Verbindung steht. Unter
niedrigem Druck stehendes, abströmendes Fluid gelangt dann
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ORIGINAL INSPECTED
von den sich verkleinernden Kammern über die Schieberdurchlässe
61 in die Ringkammer 59; es tritt über den Fluidanschluß 57 aus.
Fig. 2 zeigt eine etwas schematische Darstellung der Antriebsverbindung,
die bei dem Fluidmotor 11 nach Fig. 1 verwendet wird, um Drehmoment von dem außenverzahnten
Zahnrad 27 auf die Abtriebswelle 31 zu übertragen. Der Begriff "Antriebsverbindung" soll vorliegend die Hauptantriebswelle
41, beide Gruppen von balligen Evolventenaußenkeilzähnen 39 und 43 sowie die damit in Eingriff
stehenden Gruppen von geraden Evolventeninnenkeilzähnen 37 und 45 umfassen. Die Gruppe der Innenkeilzähne
37 (und die Abtriebswelle 31) bilden eine Achse 71, während die Innenkeilzähne 45 (und das außenverzahnte Zahnrad
27) eine Achse 73 bilden. Die Achsen 71 und 73 verlaufen im wesentlichen parallel; sie haben jedoch in Querrichtung
einen gegenseitigen Abstand, der die Exzentrizität E der Antriebsverbindung (und des Fluidmotors 11)
darstellt. Die Gruppe der balligen Außenkeilzähne 43 bildet eine Mittelebene CP., die durch die "Spitze" jedes
Keilzahns hindurchgeht. In ähnlicher Weise bilden die balligen Außenkeilzähne 39 eine durch die Spitze jedes
Keilzahns dieser Gruppe hindurchgehende Mittelebene CP9.
Der Abstand zwischen den Mittelebenen CP1 und CP wird
als die axiale Länge L der Antriebsverbindung bezeichnet,
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deren Bedeutung im folgenden näher erläutert ist.
Wie gleichfalls aus Fig. 2 hervorgeht, weist die Hauptantriebswelle 41 einen Schaftteil (mit einem Schaftdurchmesser D5)
auf, der zwischen den beiden Gruppen von Außenkeilzähnen 39
und 43 sitzt. Die Antriebswelle 41 bildet eine Wellenachse 75, die zusammen mit der Achse 73 der Innenkeilzähne 45 einen Winkel
A bildet, der als "Laufwinkel" bezeichnet wird. Die Wellenachse
75 bildet mit der Achse 71 der Innenkeilzähne 37 den
gleichen Laufwinkel A, weil die Achsen 71 und 73 parallel zueinander verlaufen. Aus Fig. 2 und der vorstehenden Beschreibung
folgt;
A «■ aresin E/L (1 )
Die Erfindung ist vorliegend in Verbindung mit einer Antriebswelle
erläutert, die an beiden Enden eine Gruppe von balligen Außenkeilzähnen trägt. Sie ist jedoch auch bei einer Antriebswelle
anwendbar, die am einen Ende mit einer Gruppe von balligen Keilzähnen ausgestattet ist, während am gegenüberliegenden
Ende eine andere Form von Universalgelenk vorgesehen ist. In diesem Falle wird die Exzentrizität E der Antriebsverbindung
in gleicher Weise bestimmt; die axiale Länge L wird von der Mittelebene
der balligen Keilzahngruppe zum geometrischen Gelenkpunkt des Universalgelenks gemessen. Weil die Kombination aus
geraden Innenkeilzähnen und balligen Außenkeilzähne eine bestimmte
Art von Universalgelenk darstellt, soll der vorliegend verwendete Begriff "Universalgelenk" auch die Kombi-
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nation- von geraden Innenkeilzähnen und balligen Außenkeilzähnen
einschließen.
Typischerweise wird eine Antriebswelle wie die Hauptantriebswelle
41, die an beiden Enden eine Gruppe von balligen evolventen Außenkeilzähnen trägt, aus einem stangenförmigen
Rohling gefertigt. Der Rohling wird zunächst auf geeignete Länge geschnitten; sodann werden der Schaft mit
dem Durchmesser D_ und die Enden maschinell bearbeitet. Im Anschluß daran erfolgt das Wälzfräsen der balligen
Außenkeilzähne entweder durch Kopfwälzfräsen oder Semikopfwälzfrasen.
Es versteht sich, daß insoweit auch ande-
re Verfahrensschritte angewendet werden können.
Entsprechend den Fig. 2 und 5 hat jeder der balligen Keilzähne
39 sowie der balligen Keilzähne 43 eine axiale Zahnlänge T. Nimmt man an, daß sämtliche balligen Außenkeilzähne
39 und 43 symmetrisch mit Bezug auf die Mittelebenen CP2 bzw. CP. liegen, beträgt der Abstand von der Mittelebene
zum Ende jedes Keilzahns T/2. Aus dem senkrecht zur Keilzahnflanke liegenden Schnitt der Fig. 5 ist zu erkennen,
daß in jedem beliebigen axialen Abstand Y von der Mittelebene entlang der Längsabmessung des Keilzahns
wenigstens ein minimales Spiel X zwischen dem Außenkeilzahn und dem benachbarten Innenkeilzahn vorhanden sein muß.
Der Axialabstand Y und das Keilzahnspiel X sind miteinander und mit dem Laufwinkel A durch die folgende Gleichung ver-
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knüpft:
X-Y tan A (2)
Wie oben ausgeführt wurde, ist das Spiel X notwendig, um eine störende Beeinflussung zwischen jedem der balligen
Außenkeilzähne und dem benachbarten Innenkeilzahn zu verhindern, wenn die Antriebsverbindung entsprechend Fig. 2
mit dem Laufwinkel A arbeitet. Wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht, ist, wenn das Spiel X entsprechend der obigen
Gleichung (2) sehr genau eingehalten wird, eine Hälfte
jeder Keilzahnflanke im wesentlichen parallel zu der
Keilzahnflanke des benachbarten Innenkeilzahns ausgerichtet. In diesem Fall bildet die andere Hälfte der Flanke
des Außenkeilzahns mit der Flanke des benachbarten Innenkeilzahns einen eingeschlossenen Winkel 2A (d.h. einen
Winkel, der dem zweifachen des Laufwinkels A entspricht).
Fig. 4a zeigt einen Querschnitt durch einen in bekannter Weise hergestellten Keilzahn in einem Axialabstand Y von
der Mittelebene. In ähnlicher Weise ist in Fig. 4b ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäß hergestellten Keilzahn
im gleichen Axialabstand Y wie in Fig. 4a dargestellt. In beiden Fällen ist das gleiche Spiel X aufrechterhalten;
wie im einzelnen jedoch unten erläutert ist, ist die Schnitttiefe Z (oder die radial einwärts gerichtete Bewegung des
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Wälzfräsers in Richtung auf die Achse der Welle 41) vermindert.
Diese Abmessung Z ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Dabei ist der rotierende Wälzfräser H in
zwei Stellungen veranschaulicht, und zwar unmittelbar bevor er die balligen Außenkeilzähne 43 zu schneiden
beginnt, und dann wieder unmittelbar nachdem das Schneiden der Keilzähne 43 beendet ist. Aus Fig. 3 ist zu entnehmen,
daß die Drehachse 77 des Wälzfräsers H eine Bahn beschreibt, die zusammen mit einer ersten Bezugslinie
RL- einen Wölbungswinkel CA bildet. Der Wölbungswinkel CA ist in Fig. 3 als der eingeschlossene Winkel zwischen
der Bezugslinie RL, und der Bahn dargestellt, welche die
Drehachse 77 beschreibt. Er ergibt sich ferner als der
eingeschlossene Winkel zwischen einer zweiten Bezugslinie RL2 (die parallel zu der Bezugslinie RL verläuft) und
der Keilzahnspitze. Es versteht sich, daß die zuletzt genannte Beziehung genau nur im Falle eines Keilzahns
gilt, der im Kopfwälzfräsverfahren hergestellt ist. Bei
einem nicht kopfwälzgefrasten Keilzahn wird der Wölbungswinkel stattdessen durch den eingeschlossenen Winkel zwischen
der Wurzel des Keilzahns und einer anderen Bezugslinie bestimmt, die parallel zu der Bezugslinie RL_ verläuft.
Der Wölbungswinkel CA kann auch durch den axialen Abstand Y von der Mittelebene CP1 und die Schnittiefe Z
(die radiale Einwärtsbewegung der Drehachse 77 mit Bezug auf die Bezugslinie RL.) entsprechend der folgenden Glei-
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chung ausgedrückt werden:
CA - arctan Ζ/Υ (3)
Entsprechend Fig. 4a war es bisher allgemein üblich, eine
Gruppe von balligen Außenkeilzähnen, die einen primären Eingriffswinkel 0_ haben sollen, unter Verwendung
eines Wälzfräsers zu fräsen, bei dem die Fräserzähne gleichfalls einen Eingriffswinkel 0_ haben. Das führt
dazu, daß es zur Erzielung des erforderlichen Spiels X
in jedem beliebigen Axialabstand Y notwendig ist, einen .Wölbungswinkel vorzusehen, der zu der geeigneten Schnitttiefe
Zp. (bekannte Schnittiefe) entsprechend der folgenden
Gleichung führt:
PA sin 0S
Entsprechend Fig. 4b ist es ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, eine Qruppe von balligen Außenkeilzähnen
mit einem primären Eingriffswinkel 0ς unter
Verwendung eines Wälzfräsers zu fräsen, bei dem die Schneidzähne einen Eingriffswinkel 0U haben, wobei 0U größer als
π . π
0_ ist. Das Ausmaß der Differenz zwischen 0_ und ώ, das
für die vorliegenden Zwecke notwendig ist, ergibt sich aus der nachstehenden Erläuterung. Dies führt dazu, daß es zur
Erzielung des notwendigen Spiels X in jedem beliebigen
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Axialabstand Y erforderlich wird, mit einem Wölbungswinkel
CA zu arbeiten, der die geeignete Schnittiefe ZTW.
(erfindungsgemäße Schnittiefe) entsprechend der nachstehenden
Gleichung zur Folge hat:
ZINV
Bei einem Vergleich der Gleichungen (4) und (5) sowie
der Fig. 4a und 4b zeigt sich, daß die Steigerung des Eingriffswinkels des Wälzfräsers von 0_ auf 0U den Wert
ο Η
des Sinus vergrößert; für ein vorgegebenes Spiel X wird
die Schnittiefe Z-.,.. kleiner als die bekannte Schnitt-
INV
tiefe ZpA.
Betrachtet man die Fig. 3 in Verbindung mit der Fig. 4b,
zeigt es sich, daß es bei Anwendung des vorliegend offenbarten steigenden und fallenden Wälzfräsverfahrens möglich
wird, bei vorgegebenem Schaftdurchmesser Dc die Keilzahnlänge
T zu vergrößern oder umgekehrt bei einer vorgegebenen Keilzahnlänge T den Schaftdurchmesser D_ größer zu machen.
Die erzielbaren Vorteile seien anhand des folgenden Beispiels näher erläutert.
Bei einer für eine kommerzielle Anwendung bestimmten Aus-
8Q98U/0986
fUhrungsform hatte die Hauptantriebswelle 41 die folgenden
Abmessungen:
L | 50 | ,80 | mm |
E | 2 | ,54 | mm |
T | 12 | ,70 | mm |
Der Einfachheit halber werden die erforderlichen Berechnungen mit Bezug auf eine Ebene durchgeführt, die ungefähr
am Ende des Keilzahns liegt, wo gilt, Y « T/2 = 6,35 mm. Unter Verwendung der Gleichung (1) wird der Laufwinkel A
wie folgt bestimmt:
A m aresin E/L (1)
A - arcsin5§ti
A - 2,866°
Unter Anwendung der Gleichung (2) wird das erforderliche
Spiel X wie folgt errechnet:
X - Y tan A (2) X - ' 6,35 mm tan 2.,866°
X - 0,318 mm
Bei diesem Beispiel hatten die balligen Keilzähne einen
primären Eingriffswinkel 0_ von 30- Grad. Daher ergibt sich
809844/0986
die Schnittiefe an den Enden des Keilzahns entsprechend dem bekannten Vorgehen wie folgt:
(4)
2PA | m sin 0 |
-7 | 0,318 mm |
2PA | sin 30° |
2PA | » 0, 635 mm |
Unter Anwendung des vorliegend offenbarten Vorgehens wurde ein Wälzfräser mit einem Eingriffswinkel 0U der Fräser-
zähne von 37 Grad gewählt. Daraus ergibt sich eine Schnitt
tiefe ZINV wie folgt:
(5)
INV | 7 | INV | "* sin 0J, | mm |
2INV | 0,318 | O | ||
sin 37 | mm | |||
0,528 | ||||
Bei diesem Ausführungsbeispiel wäre es möglich gewesen,
den Schaftdurchmesser Dg. um einen Betrag zu vergrößern,
der dem zweifachen der Verkleinerung der Schnittiefe Z
entspricht, d.h.
809844/0986
Vergrößerung | von | Ds = | 2 | (2PA- | - O, | 528) | (6) |
Vergrößerung | von | Ds - | 2 | (O,635 | - | mm | |
Vergrößerung | von | O | , 21 3 mm | ||||
Stattdessen wäre es unter Verwendung des vorliegend erläuterten
Vorgehens auch möglich gewesen, die Keilzahnlänge T zu vergrößern. Diese Vergrößerung kann bestimmt
werden, indem von der Schnittiefe ZpA * 0,635 mm ausgegangen
und ein neuer Axialabstand γγΝν bis zum Ende des
Keilzahns entsprechend der folgenden Gleichung errechnet wird, die eine Kombination der Gleichungen (2), (4)
und (5) darstellt:
INV an
2PA - Z (7)
sin A1
sin 0H . Z_ - Y1
tan A | sin 37° | ,05 | (O, | XlNV | mm) |
γ _ | O | ,6018 | ,635 | ||
INV | O | ,05 | mm) | ||
Y 91 | O | 635 | |||
YINV | |||||
YINV ** 7'643 rcm oder
TINV = 15,286 mm
809844/0986
Die Vergrößerung der Keilzahnlänge (und damit die Drehmomentbelastbarkeit
bei vorgegebener Keilzahnlebensdauer) betrug etwas mehr als 20 %.
Aufgrund der vorstehenden Erläuterungen, der Zeichnungen,
der angegebenen Gleichungen und des Beispiels dürfte es für den Fachmann ohne weiteres möglich sein, das vorliegende
Verfahren praktisch durchzuführen und auch für die
Herstellung von Keilzähnen anzuwenden, die andere primäre Eingriffswinkel als 30 Grad haben. Beim Wälzfräsen eines
Keilzahns mit einem primären Eingriffswinkel 0_ von 3Ό Grad
haben die Zähne des Fräsers vorzugsweise einen Eingriffswinkel 0U zwischen ungefähr 33 Grad und ungefähr 45 Grad,
π
Aus den oben verwendeten Gleichungen ergibt sich, daß der
Nutzen aus der Anwendung des erläuterten Verfahrens (beispielsweise
Vergrößerung der Zahnlänge) durch einen Verhältnisfaktor F ausgedrückt werden kann, wobei:
sin 0
sin 0S
Die Anwendung der Gleichung (8) auf das vorstehende Beispiel
führt zu einer Vergrößerung der Keilzahnlänge (oder der Drehmomentbelastbarkeit) um einen Faktor von
—— - 1,20. Innerhalb eines bevorzugten Bereiches
sin 30
803344/038$
von 0μ nimmt daher für jeden gegebenen Wert von 0_ die
Verbesserung der Drehmomentbelastbarkeit_mi·': steigendem
0H zu.
Beim Experimentieren mit dem vorliegend erläuterten Wälzfräsverfahren
und beim Vergleichen dieses Verfahrens mit dem bekannten Vorgehen wurde ein weiterer Vorteil beobachtet.
Durch Vergrößerung des Eingriffswinkels des Wälzfrä-
sers und Verkleinerung der Schnittiefe wird der Betrag der
Hinterschneidung, zu der es normalerweise benachbart dem
Fußdurchmesser in Richtung auf die Enden der Keilzähne kommt, wesentlich herabgesetzt. Durch Minimierung der Hinterschneidung
wird die Festigkeit der einzelnen Keilzähne vergrößert; damit nimmt auch die Drehmomentbelastbarkeit ■
jedes Keilzahns zu. Der Rundungsradius wird gleichfalls
vergrößert, wodurch die Beanspruchungskonzentration abnimmt.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch einen Schneidzahn des vorliegend verwendeten Wälzfräsers. Dabei ist eine Teilkreislinie
PL des Wälzfräsers dargestellt. Der Wälzfräser H wird mit Bezug auf die Achse 75 der Hauptantriebswelle 41
derart angeordnet, daß die Teilkreislinie PL des Fräsers und die Achse 75 einen bis zu der Teilkreislinie gehenden
Durchmesser DpL (als Teilkreisdurchmesser des Wälzfräsers
bezeichnet) bilden. Bekanntlich wird die Teilkreislinie
809844/0986
des Wälzfräsers als die eine Grundlage zur Berechnung
der Wälzfräsergeometrie benutzt. Die Teilkreislinie des
Wälzfräsers bleibt fest; der Wälzfräser bewegt sich« gegenüber des Teilkreislinie, beispielsweise wenn die Schneidzähne
von der in ausgezogenen Linien dargestellten Stellung in die Stellung übergehen, die gestrichelt eingezeichnet
ist (d.h., wenn sich der Schneidzahn radial einwärts in Richtung auf die Wellenachse 75 um einen Betrag bewegt,
der gleich der Schnittiefe Z ist). In Fig. 6 ist ferner
der Eingriffswinkel 0U des Wälzfräserzahnes dargestellt.
Bei Anwendung des vorliegend beschriebenen Verfahrens wird
die Evolventenform der Keilzähne nicht wesentlich geändert.
Weil die erzeugte Evolventenform eine Funktion des Durchmessers des Grundkneises ist, der durch das vorliegende
Verfahren nicht geändert wird, ist es möglich, eine Keilzahnform herzustellen, die identisch mit der auf bekannte
Weise erhaltenen Zahnform ist, möglicherweise mit Ausnahme einer kleinen Abweichung von der echten Evolventenform am
Fuß.
Während das vorliegende Verfahren anhand der theoretischen
Bahn beschrieben wurde, die die Achse 77 des Wälzfräsers H beschreibt, versteht es sich, daß die Achse dieser Bahn
nicht über die volle Länge des Keilzahns genau folgt. Beispielsweise
weicht im Bereich der Mittelebene die von der
809844/0986
Wälzfräserachse 77 beschriebene Bahn von der theoretischen
Bahn ab, um die scharfe Spitze zu vermeiden, die in Fig."3 im Bereich der Mittelebene CP1 gezeigt ist. Die Wälzfräserachse
folgt in der Nähe der Mittelebene vielmehr einer
Bahn, die bewirkt, daß der Außenkeilzahn nicht spitz zuläuft,
sondern etwas abgerundet ist. Dadurch wird ein ruhigerer Betrieb gewährleistet. Die Art dieser Abweichung
von der theoretischen Bahn der Wälzfräserachse versteht
sich für den Fachmann ohne weiteres.
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Claims (6)
- PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWANELFENSTRASSE32 · D-8000 MÜNCHEN »375-CLP-246Ansprüche[1 Λ, Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle mit einer ersten und einer zweiten Gruppe von axial verlaufenden, balligen Außenkeilzähnen zum Übertragen von Drehmoment zwischen einer ersten und einer zweiten Gruppe von geraden Innenkeilzähnen, wobei die Gruppen der geraden Innenkeilzähne eine Exzentrizität E haben, die beiden Gruppen der balligen Außenkeilzähne eine im wesentlichen senkrecht zu der Achse der Welle ausgerichtete Mittelebene aufweisen, die Welle eine axiale Länge L zwischen der ersten und der zweiten Mittelebene hat und einen Laufwinkel A = aresin E/L bildet, jeder der Außenkeilzähne einen primären Eingriffswinkel 0_ hat und ausreichend ballig gemacht ist, um für ein Spiel X zwischen dem Außenkeilzahn und dem benachbarten Innenkeilzahn bei jedem vorgegebenen axialen Abstand Y entlang dem Außenkeilzahn von der Mittelebene zu sorgen, und das Spiel X und der Abstand Y durch die Gleichung X=Y tan A miteinander verknüpft sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wälzfräser mit Schneidzähnen mit einem Eingriffswinkel 0U verwendet wird, wobei 0U größer als 0_ ist, π HSdaß der Wälzfräser zum Wälzfräsen der Keilzähne gedrehtFERNSPRECHER: 0IS>/*01203» · KABEL: ELECTWCPATENT MÜNCHENwird, daß gleichzeitig mit dem vorgenannten Verfahrensschritt der Wälzfräser in Längsrichtung der Außenkeilzähne vorgeschoben wird, und daß dabei die Achse des Wälzfräsers einer von einer variablen Größe Z bestimmten Bahn folgt, wobei Z die radial einwärts gerichtete Bewegung der Wälzfräserachse von einer Bezugslinie in Richtung auf die Achse der Welle ist und der folgenden Gleichung entspricht:Y tan A Sin ^H
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriffswinkel 0,, des Wälzfräsers zwischen unge-fähr 3 Grad und ungefähr 15 Grad größer als der primäre Keilzahneingriffswinkel 0_ ist.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Wälzfräsereingriffswinkel 0,, von ungefährH 37 Grad und einem primären Keilzahneingriffswinkel 0_von ungefähr 30 Grad gearbeitet wird.
- 4. Verfahren zur Herstellung einer Antriebswelle mit einer um einen Faktor F erhöhten Drehmomentbelastbarkeit, die eine Gruppe von balligen Außenkeilzähnen und eine axial angeordnete Universalgelenkverbindung zum Übertragen8098U/099Svon Drehmoment zwischen einer Gruppe von geraden Innenkeilzähnen und einer zur Aufnahme der Universalgelenkverbindung geeigneten Einrichtung aufweist, wobei die· Gruppe der geraden Keilzähne und die Aufnahmeeinrichtung eine Exzentrizität E haben, die Gruppe der balligen Keilzähne eine im wesentlichen senkrecht zu der · Achse der Welle ausgerichtete Mittelebene hat, die Welle eine axiale Länge L zwischen der Mittelebene und dem Gelenkpunkt der Universalgelenkverbindung hat sowie einen Laufwinkel A » aresin E/L bildet, und jeder der Außenkeilzähne eine Keilzahnlänge T und einen primären Eingriffswinkel 0S sowie einen ausreichenden Wölbungswinkel hat, um für ein Spiel X zwischen dem Außenkeilzahn und dem benachbarten Innenkeilzahn in jedem vorgegebenen axialen Abstand Y von der Mittelebene zu sorgen, wobei das Spiel X und der Abstand Y durch die Gleichung X=Y tan A verknüpft sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wälzfräser mit Schneidzähnen verwendet wird, die einen Eingriffswinkel 0U bilden, dergrößer als 0g ist, daß der Wälzfräser zum Wälzfräsen der Keilzähne gedreht wird und daß gleichzeitig mit dem vorgenannten Verfahrensschritt der Wälzfräser entlang dem zur Ausbildung der balligen Außenkeilzähne bestimmten Teil der Welle derart vorgeschoben wird, daß die Achse des Wälzfräsers einer Bahn folgt, die für Y gleich oder größer als O und gleich oder kleiner als T/2 durch809844/0986die Gleichungz m Y tan Abestimmt wird, wobei Z die radial einwärts gerichtete Verlagerung der Wälzfräserachse von einer Bezugslinie ist, auf der Z « O, wenn Y=O, und wobei der Drehmomentsteigerungsfaktor F gleich sin 0u/sin 0_ ist.rl O
- 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daßder Eingriffswinkel φ des Wälzfräsers zwischen unge-fähr 3 Grad und ungefähr 15 Grad größer als der primäre Keilzahneingriffswinkel 0C ist.
- 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzfräsereingriffswinkel 0U mit Bezug auf den primären Keilzahneingriffswinkel derart gewählt wird, daß der Drehmomentsteigerungsfaktor F mindestens ungefähr 1,20 beträgt.109844/0988
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