SE501463C2 - Excenterväxel samt förfarande för framställning av en dylik växel - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 501 463 2 Vidare beskriver US patentet 5 030 184 en kuggkorrigerings- metod som gör det möjligt att framställa en excenterväxel vid vilken de två kuggkransarna har ett kuggantal som skil- jer sig med en eller ett fåtal kuggar.

Vid den konstruktionsmässiga utformningen av kuggarna i växeln enligt nämnda WO-A-9306999 läggs ett tvärsnitt genom den svagt koniska, excentriskt anordnade kuggkransen i ett läge ungefär på mitten av kuggkransens axiella längd. I detta läge kuggkorrigeras, medelst det beräknings- och korrigeringsförfarande som beskrivs i nämnda US patent 5 030 184, den koniska, utvändiga kuggkransen så att dess anligg- ning mot den cylindriska, invändiga kuggkransen blir opti- mal. Den resulterande kugganliggningen är sålunda optimal endast i ett snitt på halva axiella längden av den koniska, excentriska kuggkransen. I växelns obelastade tillstånd är i detta axialsnitt teoretiskt endast två kuggpar i ingrepp, d.v.s ett par i vardera belastningsriktningen. Vid växelns belastning kommer på grund av kuggutböjning flera kuggpar i ingrepp med varandra. Normalt kommer 3-5 kuggpar i vardera belastningsriktningen att bli belastade. I varje axialsnitt, som är skilt från det optimala mittersta snittet på den ko- niska kuggkransen, erhålls en kugganliggning som skiljer sig från den i detta snitt optimalt möjliga.

H E. . E I - 3 För att optimal lastöverföring skall erhållas i nämnda par av kuggar som i växelns obelastade tillstånd är i ingrepp med varandra är det önskvärt att kugganliggningen i varje axialtvärsnitt är optimal. Detta åstadkoms genom att ämnet till den svagt koniska kuggkransen svarvas med en viss topp- konvinkel bestämd enligt nedan beskrivna metod. Ur detta ämne framställs den koniska kuggkransen med en viss kuggkon- vinkel bestämd enligt nedan beskrivna metod.

Enligt uppfinningen erhålls en excenterväxel vars raka kuggar i den koniska kuggkransen uppvisar en skruvformad kontaktlinje mot den cylindriska kuggkransens invändiga, raka kuggar. Denna skruvformade kontaktlinje ger växeln en 10 15 20 25 30 35 3 5-01 463 mjuk och tyst gång och bidrar till att växeln kan överföra högre vridmoment. Eftersom lasten fördelas över många kuggar och utefter kuggkransens hela axiella längd blir yttrycket relativt sett lågt vilket underlättar möjligheterna att upp- rätthålla en god smörjfilm och därmed en god slitstyrka hos växeln.

E. 1 I . .

En utföringsform av uppfinningen kommer att beskrivas när- mare nedan i anslutning till bifogade ritningar, på vilka: figur 1 är en längdsektion av en känd excenter- växelanordning i en rivvals, figur 2 är en partiell tvärsektion visande kuggin- greppet mellan en kuggkrans med invändiga kuggar och en kuggkrans med utvändiga kuggar före profilförskjutning och stubbning, figur 3 är en med figur 2 analog sektion efter profil- förskjutning och stubbning av den utvändigt kuggade kransen och stubbning av den invändigt kuggade kransen, figur 4 är en förstorad och förenklad längdsektion visande vinklar, grepp, är en tvärsektion A - A i figur 4, rotationsaxlar och kuggin- figur 5 figur 6 är en tvärsektion B - B i figur 5, figur 7 är en längdsektion genom en reduktionsväxel där ett excenterkugghjul består av plast för att erhålla optimalt tyst gång, och figur 8 är en längdsektion av en reduktionsväxel enligt figur 7, där även den invändiga kuggkransen är konisk för att möjliggöra eliminering av glapp. t: J. in] E.. 1": 1.] Figur 1 visar ett excenterväxelaggregat avsett att införas i en rivvals till en tryckpress för att tilldela denna en fram- och àtergående rörelse. Aggregatet är av det slag som beskrivs i nämnda WO-A-9306999. Aggregatet införs och fixeras i den ena änden av en rivvals, som innefattar ett rör med gummibeklädd utsida. Aggregatets axel 1 fästs N Ü 20 25 30 35 501 463 4 vid tryckpressens stativ. Aggregatet utgör alltså den ena lagringen för rivvalsen. Rivvalsen drivs med högt varvtal genom att den rullar av mot en annan vals i tryckpressen.

Aggregatets uppgift är, förutom att utgöra lagringsenhet, att ge rivvalsen en axiellt fram- och återgående, långsam rörelse. Vanligen är rörelsen sinusformad med en amplitud inom området +/- 5-20 mm. Rivvalsens varvtal kan uppgå till 1.000 - 2.000 varv per minut och den axiella rörelsens frekvens till 0.5 - 2 Hz_ För att erhålla denna sinusformade axiella rörelse är aggre- gatet uppbyggt på följande sätt: På en stationär axel 1 är en cylinder 2 roterbart monterad medelst gavlar 3, 4 och nàllager 5, 6. Ett kamkuggelement 8 år snedställt lagrat på den stationära axeln 1 och uppvisar en konisk kuggkrans 10 med utvändiga kuggar som rullar av mot en invändig cylindrisk kuggkrans 7 på cylindern 2. Kam- kuggelementets andra ände år försedd med ett axiellt riktat kamspår 9 i vilket en kamrulle 14 rullar av. Kamrullen är lagrad på en axel 15 som är fäst vid cylindern 2.

Den koniska kuggkransen 10 och den cylindriska kuggkransen 7 utgör delar av en excenterväxel. Kuggarna i dessa kransar har korrigerats i enlighet med ovan beskrivna metod. Sålunda väljs vid konstruktion av kuggarna i den kända växeln ett kuggtvärsnitt beläget ungefär mitt pà den axiella längden av den koniska kuggkransen 10. Den koniska kuggkransens 10 tvärsnitt i detta läge mitt på halva axiella längden ges op- timal anliggning relativt den cylindriska kuggkransens 7 in- vändiga kuggar medelst ett beräknings- och korrigeringsför- farande enligt figur 2 och 3. Detta kuggkorrigeringsför- farande finns beskrivet i nämnda US patent 5030184.

Såsom ingångsdata till kuggkorrigeringsförfarandet används det önskade utväxlingsförhållandet och den ungefärliga delningsdiametern Ds samt önskat värde m på kuggmodulen. Ur dessa värden beräknas dels ett första närmevärde på delningsdiametern för kuggkransen 10A, dels ett första värde 10 U 20 25 30 35 S Ä 501 463 på excentriciteten eo, vilket är ungefär lika med halva delningsdiametern Ds för kuggkransen 10 A minskat med halva delningsdiametern för kuggkransen 7 A. Vidare beräknas kuggantalet ZMA och Zm för de båda kuggkransarna 10A och 7 A. Blir kuggantalet inte ett heltal ändras delningsdia- metern och förfarandet upprepas. När kuggantalet blir ett heltal uppritas, företrädesvis i CAD-teknik, de två kugg- kransarnas kuggar. Resultatet visas i figur 2. Figur 2 visar kuggingreppet mellan en kuggkrans 10A med 89 utvändiga kuggar och en kuggkrans 7A med 90 invändiga kuggar. Kuggarna pà kuggkransarna 7A och 10A är framställda medelst ett konventionellt kuggbearbetningsförfarande_ Såsom framgår av figur 2 föreligger kugginterferens mellan klockan 06.00 och 09.00. I dessa områden kolliderar kuggarnas flanker. En växel framställd med dylika kuggkransar skulle bli blockerad.

För undvikande av sådan kugginterferens profilförskjuts kuggarna på kuggkransarna 7A och 10A, varvid ett nytt värde på excentriciteten erhålls enligt följande ekvation: el=eO+f-(m~x , nvxz) där m är kuggmodulen, x 1 1 och xz cienter och där f (....) är en funktion av nvxl och nrxz. profilförskjutningskoeffi- De två kuggkransarnas kuggar uppritas ånyo med kuggarna korrigerade genom profilförskjutning. Genom denna anpassning av excentriciteten till utförd profilförskjutning erhålls en optimal anliggning mellan flankerna på de kuggpar som (i obelastat tillstånd) är i ingrepp med varandra. En viss korrigering av endera av kuggkransarnas pressvinkel kan dessutom vara aktuell för att erhålla önskad optimal ansmygning mellan kuggflankerna. Därefter stubbas den ena eller båda kuggkransarna så att kuggarna kan passera varandra då de går ur ingrepp. Stubbningens storlek bör vara sådan att tillverkningstoleranserna ej kan leda till att kuggtopparna kolliderar. Stubbningen medför att anliggningslängden i radiell led minskar och därmed ökas yttrycket i kuggingreppet. En kompromiss mäste därför göras mellan stubbningens storlek och ingreppslängd. Resultatet 10 15 20 25 30 35 501 463 6 visas i fig 3. Z, betecknar antalet kuggar (89) på excenter- kuggkransen 10 B, ZS antalet kuggar (90) på kuggkransen 7B, 0, diametern för den cirkel kuggtopparna på excenterkugg- kransen 10B beskriver och ms diametern för den kurva kugg- topparna på kuggkransen 7B beskriver. Profilförskjutningen ändrar inte den med 3OB betecknade delningscirkeln för kugg- kransen 10B, men innebär att verktyget vid tillverkningen förskjuts mot centrum av ämnet för kuggkransen 10B med profilförskjutningsvärdet. Profilförskjutningens storlek, uttryckt i millimeter är -xm, där minustecknet anger att verktyget förskjuts mot ämnets centrum. Stubbning innebär att kuggtopparnas höjd reduceras genom att kuggringens ämnesdiameter ändras. Av figur 3 framgår att delningscirklarna 30A, 3OB för de två kuggkransarna skär varandra ungefär klockan 10.30 och i ett omrâde mellan ungefär klockan 10.30 till 01.30 ligger delningscirkeln 3OB utanför delningscirkeln 30A.

E J. 31 I . . E. .

Figur 4 visar schematiskt en lângdsektion av kuggkransarna 7,10 enligt figur 1, varvid vinklarna för tydlighets skull är något överdrivna. Excenterkuggkransens symmetriaxel 25 bildar vinkel æ med den cylindriska, invändiga kuggkransens symmetriaxel 24. Den koniska excenterkuggkransens axialsnitt A - A vid dess storände ligger i ingrepp med den cy- lindriska, invändiga kuggkransens delningsdiameter 26.

En optimal kugganliggning utföres i detta axialsnitt A - A medelst den metod som är beskriven ovan och i US patentet 5 030 184. Därvid erhålls ett första värde pä excentri- citeten eA. För axialsnittet B - B kan dä geometriskt excentriciteten es bestämmas till: es = eA + b-tan m där m är önskad konvinkel och b är kuggbredden.

Den optimala kugglösningen för axialsnittet B - B framtages I tvärsnittet B - B utgår man emellertid nu från den givna, nu såsom gjordes i tvärsnitt A - A. fixa excentriciteten 15 20 25 30 35 7 501 463 eg (och eventuell pressvinkelkorrigering) och gör profilför- skjutningar och stubbningar pà kuggkransarna för att erhålla optimal anliggning.

Figurerna 5 och 6 visar en kugglösning där utväxlingen i = 10.167, modulen m = I 0.7 och skillnaden i kuggantal är = 67 - 61 = 6. Verksam kuggbredd (= avståndet mellan axialtvär- snitten A ~ A och B - B) är 8 mm.

Vid storändens (axialtvärsnittet A-A) optimala lösning finner man för obelastad växel att de två kuggparen som är i ingrepp med varandra vardera bildar vinkeln WA = 10.75° mot excenterriktningen. Excentriciteten är här eA = 2.305 mm.

Vid lilländens (axialtvärsnittet B-B) optimala lösning finner man för obelastad växel att de tvâ kuggparen som är i l6.16° mot excenterriktningen. Excentriciteten är här es = 2.51 mm. ingrepp med varandra vardera bildar vinkeln KB = Av dessa två figurer 5 och 6 kan konstateras att i ett axialtvársnitt som förflyttas fràn snitt A - A till snitt B - B kommer kontaktpunkternas vinkellägen relativt excenter- riktningen att kontinuerligt förändras från l0.75° till 16.16°. Det kan även konstateras att storleken på vinkel- förändringen i detta exempel ungefär motsvarar en kugg- delning (5.37°). skillnad i kuggantal, Vid större utväxlingar, d.v.s. vid mindre kommer denna vinkeländring att bli större. Med denna kuggoptimeringsmetod har sålunda erhållits en skruvformad kugganliggning, något som är mycket gynnsamt för kugghàllfastheten och ger växeln en tyst gång. Denna skruvformade kontaktlinje kan liknas vid den skruvformade kontaktlinje som erhålls vid snedskuren kugg. En rak konisk kugg erhåller med den beskrivna metoden en skruvformad kon- taktlinje vilket ger mjuk gång och medger överföring av höga moment. Denna kugg skall alltså inte tillverkas med kon- vinkeln Zæ (m är den vinkel som kuggens rotationsaxel skall ha relativt den invändiga kuggkransens rotationsaxel) utan skall tillverkas med konvinkeln 2ß som erhålles genom uttrycket: W Ü 20 25 30 35 501 463 8 ß = arctan (9/b) där g är skillnaden i profilförskjutning (-xpm)-(-xxm) i tvärsnitten A - A och B - B och b är det vinkelräta av- ståndet mellan nämnda tvärsnitt. Ämnet till den koniska I kuggkransen skall svarvas koniskt med vinkeln 2v som er- hålles genom uttrycket: v=arctan ((SB-SA)/b) där SAoch SB är stubbningen i respektive axialsnitt A-A och B-B.

Sammanfattningsvis skall, för att erhålla optimal kuggan- liggning i växeln, den koniska kuggkransen, vars rota- tionsaxel bildar vinkeln m med den cylindriska invändiga kuggkransens rotationsaxel, tillverkas med kuggkonvinkeln 2ß och toppkonvinkeln 2v.

Det beskrivna utförandet av uppfinningen avser en konisk excenterväxel för ett rivvalsaggregat där excenteraxeln är stillastående och den invändiga kuggkransen roterar.

Såsom nämnts tidigare kan uppfinningen även användas i applikationer där den invändiga kuggkransen är stillastående och excenterkuggkransen är fritt lagrad pà den ingående, snabbt roterande axeln. Med lämpligt vald materialkombi- nation, t.ex. plastexcenterkuggkrans mot segjärnskuggkrans, kan i detta utförande erhållas en varvtalsreduktion som karakteriseras av en mycket mjuk och tyst gång på grund av skruvanliggningen.

Figur 7 visar en längdsektion av en excenterväxel avsedd för en medicinsk applikation där tyst gång är ett primärt krav.

Pá en snabbroterande ingående axel 40 är den ena änden av ett koniskt kugghjul 42 fritt excentriskt lagrat medelst ett kullager 41. Kugghjulet 42 avrullar på en stationär, in- vändig kuggkrans 43. Den andra änden av kugghjulet 42 är via en vinkelupptagande koppling (bágtandkoppling) 44 förbunden med växelns utgående axel 45. I denna applikation är reduk- N U 20 25 30 35 9 501 463 tionen 50:l. Observera att den utgående axeln har reducerad motriktad rotation gentemot den ingående axeln.

För att eliminera sådant glapp i kuggingreppet som orsakas av tillverkningstoleranser eller slitage kan den invändiga kuggkransen 56 (se fig 8) utföras konisk och anliggnings- optimeras pà tidigare beskrivet vis mot excenterkugghjulet 52, vars kuggkrans 57 kan vara cylindrisk eller konisk ”i motsatt riktning", d.v.s. dess konspets är riktad åt vänster i figur 8. Medelst en brickfjäder 58 verkande mellan den in- gående axeln 50 och kullagret 51 erhålles en automatisk eli- minering av glapp. Nackdelen med detta kuggutförande är att den invändiga kuggen är relativt dyr att framställa. Vid serietillverkning är det dock möjligt att producera dylika kugghjul, t.ex. medelst pulversintringsteknik eller plast- gjutning.

I den beskrivna applikationen som växel i ett rivvalsaggre- gat utnyttjas de invändiga kuggarna även såsom splines, ty vid den fram- och återgående rörelsen kommer excenterkugg- kransen att förflytta sig axiellt utefter den invändiga kuggkransen, vilken då tjänar som splines. I andra applika- tioner såsom enbart reduktionsväxel, där någon axiell för- flyttning mellan kugghjulen ej sker, kan den invändiga kugg- kransen vara konisk och den utvändiga excentriska kuggkran- sen vara cylindrisk. Alternativt kan båda kuggkransarna vara koniska.

Den beskrivna excenterväxeln kan även användas "baklänges”, d.v.s. för att öka varvtalet.

Växeltypen kan även användas i differentialutförande, d.v.s. man driver både nämnda ingående axel och antingen den invän- diga kuggkransen eller den tidigare såsom utgående benåmnda axeln på ett sådant sätt att utgående varvtal på en tredje axel blir summan av de ingående varvtalen hos de två andra axlarna.

Claims (8)

10 U 20 25 30 35 501 463 w EAIENIKRAM

1. Excenterväxel innefattande första och andra, samverkande kuggkransar (7,10) av vilka den ena (7) uppvisar ett visst antal invändiga, raka kuggar och den andra (10) ett färre antal utvändiga, och av likaledes raka kuggar, vilka åtminstone en uppvisar konisk form med en storände (A- A) och en lillände (B-B), varvid den andra kuggkransen (10) har mindre delningsdiameter än den första (7) och är excentriskt lagrad relativt denna för att rulla av på dennas invändiga kuggar, varjämte symmetriaxlar (24,25) för respektive kuggkransar bildar vinkel (x) med varandra, k ä n n e t e c k n a d därav, att kontaktpunkterna eller orterna för ingrepp mellan flanker på kuggar i den ena kuggkransen och motstáende flanker på kuggarna i den andra kuggkransen är i huvudsak lokaliserade utmed en skruvlinje som sträcker i axiell riktning mellan sagda stor- och lilländar.

2. Excenterväxel enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att den första, med invándiga kuggar utförda kugg- kransen (7) uppvisar cylindrisk form och att den andra, med utvändiga kuggar utförda kuggkransen (10) uppvisar den koniska formen.

3. Excenterväxel enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a d därav, att kontaktpunkternas vinkellägesvärden - sett i infinitesimalt tjocka axialsnitt utmed kuggarnas längdutsträckning - ökar från ett första värde (KÄ) vid storänden (A-A) till ett andra, större värde (ag) vid lilländen (B-B).

4. Excenterväxel enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d därav, att kuggarna i de båda kugg- kransarna är profilförskjutna med olika värden -nuxA resp -nvxß och/eller stubbade med olika värden SA resp SB i skilda axialtvärsnitt utmed samma kuggkrans, där m är kuggmodulen, XA och xg profilförskjutningskoefficienter, och SA resp SB är värden pà eventuellt företagna stubbningar.

5. Excenterväxel enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att den eller de koníska kuggkransarna har en toppkonvinkel 2v som bestäms av ekvationen: v = arctan [(53 - SA) / b] W U 20 25 30 35 H A 501 463 där SA och SB är stubbningen i två valda axialtvärsnitt utmed ifrågakommande kuggkrans och b är det axiella av- ståndet mellan dessa snitt.

6. Excenterväxel enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att den eller de koniska kuggkransarna har en kuggkonvinkel 2ß som bestäms av ekvationen: /bl där -UVXA och -nuxß är profilförskjutningen i två valda ß = arctan [(m#xB - m-xA) axialtvärsnitt utmed ifrågakommande kuggkrans och b är det axiella avståndet mellan dessa snitt.

7. Förfarande för framställning av en excentervâxel av det slag som innefattar första och andra, samverkande kugg- (7,10> invändiga, raka kuggar och den andra (10) ett färre antal kransar av vilka den ena (7) uppvisar ett visst antal utvändiga, likaledes raka kuggar, och av vilka åtminstone en (A-A) och en lillände (B-B), varvid den andra kuggkransen (10) har mindre del- uppvisar konisk form med en storånde ningsdiameter än den första (7) och är excentriskt lagrad relativt denna för att rulla av på dennas invändiga kuggar, varjämte symmetriaxlar (24,25) bildar vinkel (m) därav, att utgående från önskad utväxling (i) och modul (m) för respektive kuggkransar med varandra, k ä n n e t e c k n a t beräknas genom kugganliggningsoptimering medelst profil- förskjutning (-nvxA) och eventuell pressvinkelkorrigering en (A-A) av att med den första excentriciteten första excentricitet (eA) i ett första axialsnitt den koniska kuggkransen, (eA) såsom fast utgångspunkt bestäms geometriskt en andra i ett från det första axialsnittet (B-B), axialsnitt utförs medelst profilförskjutning excentricitet (eg àtskilt andra axialsnitt och att i sistnämnda (-nhxß) en ny kugganliggningsoptimering, varvid kuggkransens kuggkonvinkel bestäms till: 2ß = 2 arctan [(nvxB - nvxA) / b ] där -nvxfl är profilförskjutningen i det första axialsnittet, -nvxß är profilförskjutningen i det andra axialsnittet, b är det vinkelrâta avståndet mellan de båda axialsnitten, m är kuggmodulen och x är profilförskjutningskoefficienten. 501 463 '2

8. Förfarande enligt krav 7, k ä n n e t e c k - n a t därav, att den första bestämningen av excentri- citetsvärdet utförs i ett axialsnitt (A-A) vid den koniska kuggkransens storände och att det andra excentricitetsvärdet därefter bestämmes i ett axialsnitt (B-B) vid lilländen, varvid kuggkransens kuggkonvinkel och toppkonvinkel erhålls.