Die Erfindung betrifft ein Zahnrad.
Zahnräder werden in den vielfältigsten Anwendungsbereichen
zur Momentübertragung eingesetzt. Sie dienen hierbei nicht nur der Momentübertragung,
sondern auch der Anpassung von Umdrehungsgeschwindigkeiten insbesondere durch Über-
und Untersetzungen und zur Änderung des Drehmoments. Aus Zahnrädern bestehende
Getriebe lassen sich in praktisch allen Bereichen der Technik und Mechanik finden.
Insbesondere im Maschinen- und Fahrzeugbau sind Zahnräder unverzichtbare Bestandteile
der Moment- beziehungsweise Kraftübertragung. Mit zunehmender Betriebsdauer
solcher Getriebe beziehungsweise Zahnradpaarungen erwärmen sich die Komponenten
der Zahnradverbindung beziehungsweise des Getriebes durch das Abwälzen der
Zahnflanken aufeinander, wobei Reibungsverluste in Wärme umgesetzt werden.
Durch die thermischen Eigenschaften der verwendeten Materialien ändert sich
die Ausdehnung und/oder Geometrie der beteiligten Elemente, insbesondere der Zahnräder
selbst. Hierdurch kommt es zu einer Änderung des Flankenspiels, insbesondere
zu einer Vergrößerung des Flankenspiels, die zu unruhigem Lauf und zu
Geräuschentwicklung der Zahnradverbindung führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zahnrad bereitzustellen, das in
bekannten Zahnradverbindungen die genannten Nachteile vermeidet.
Hierzu wird ein Zahnrad mit einem Zentralkörper und radial von
dem Zentralkörper ausgehenden Zähnen vorgeschlagen, wobei mindestens zwei
konzentrisch und axial zueinander angeordnete sowie zueinander winkelverdrehbare
Teilzahnräder vorgesehen sind, deren Zentralkörper über ein temperaturabhängiges,
durch Temperaturänderung eine Winkelverdrehung bewirkendes Kuppelelement miteinander
gekuppelt sind. Das Zahnrad weist demzufolge Teilzahnräder auf, die zueinander
bei gleichbleibend konzentrischer Anordnung winkelverdrehbar sind. Die Teilzahnräder
sind hierbei über das Kuppelelement miteinander gekuppelt; das Kuppelelement
bewirkt demzufolge die Momentübertragung zwischen den Teilzahnrädern.
Das Kuppelelement ist hierbei temperaturabhängig ausgestaltet, dergestalt,
dass es zwischen den Teilzahnrädern in Abhängigkeit von der Temperatur
eine Winkelverdrehung der Teilzahnräder relativ zueinander bewirkt. Es ist
hierbei möglich, beide Teilzahnräder mit gleicher Zahnzahl und gleicher
Zahngeometrie auszubilden, also insbesondere dergestalt, dass die einzelnen Zähne
der Teilzahnräder dieselbe Zahnweite, dieselbe Zahndicke, denselben Eingriffwinkel
et cetera aufweisen. Es kann aber auch eines der Teilzahnräder dergestalt ausgestaltet
sein, dass es eine andere Zahngeometrie oder eine andere Zahnzahl aufweist. Durch
eine Winkelverdrehung der Teilzahnräder zueinander ändert sich die effektive
Zahngeometrie, insbesondere die effektiv wirksame Zahndicke. Dies wird dadurch bewirkt,
dass die Zähne der Teilzahnräder nicht mehr mit sich überdeckenden
Querschnitten eine einheitliche Zahnflanke ausbilden, sondern die Zahnflanken der
Teilzahnräder stufig zueinander versetzt sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eines
der Teilzahnräder drehfest auf einer Welle angeordnet ist und dass das andere
Teilzahnrad drehbar auf der Welle lagert. Das eine Teilzahnrad erhält seine
Momentbeaufschlagung folglich direkt über die Welle, während das andere
Teilzahnrad drehbar auf der Welle lagert. Die Momentbeaufschlagung dieses anderen,
drehbar auf der Welle lagernden Teilzahnrades erfolgt über das Kuppelelement
durch das erste, drehfest mit der Welle verbundene Teilzahnrad, nicht durch die
Welle.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kuppelelement
ein Spiralkuppelelement oder ein Kreisbogenkuppelelement ist. Das Kuppelelement
ist in der Form einer Spirale beziehungsweise eines Spiralabschnittes ausgebildet,
also dergestalt, dass der Radius bei Beginn der Spirale ein anderer ist als am Ende
der Spirale, wobei aber die einzelnen Gänge beziehungsweise Teilgänge
der Spirale in einer Ebene liegen, oder als Kreisbogen, also im Wesentlichen radiusgleich.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kuppelelement
mit seinen beiden Stirnenden jeweils eines der Teilzahnräder beaufschlagt.
Ein Stirnende beaufschlagt demzufolge das eine, das andere Stirnende das andere
Teilzahnrad. Auf diese Weise lässt sich eine in beide Laufrichtungen funktionierende
Kupplung der Teilzahnräder bewirken.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Teilzahnräder
gleiche oder unterschiedliche Stärke aufweisen. Die Zahnbreite ist demzufolge
nicht gleich, sondern unterschiedlich, wobei jedes der Teilzahnräder eine andere
Zahnbreite aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das
Kuppelelement aus einem Kunststoff besteht. Kunststoffe bieten vielfältige
Möglichkeiten, um die Spezifikationen eines Werkstückes in weiten Grenzen
frei bestimmen zu können. Sie sind überdies leicht zu bearbeiten und relativ
kostengünstig. Auf diese Weise lässt sich das Kuppelelement vorteilhaft
mit den gewünschten Eigenschaften herstellen.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Kuppelelement einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der zu dem mindestens einen
Teilzahnrades verschieden ist. Durch diese Ausgestaltung lässt sich die thermisch
bedingte Winkelverschiebung der beiden Teilzahnräder leicht bewerkstelligen,
da die Änderung der Ausdehnung des Kuppelelements eine andere ist als die des
mindestens einen Teilzahnrades und insoweit eine Längenänderung des Kuppelelements
eine Verschiebung der beiden Teilzahnräder zueinander bewirkt. Vorzugweise
weist der Werkstoff des Kuppelelements einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als derjenige des Teilzahnrades auf; die Wärmeausdehnung des Kuppelelements
ist demzufolge größer als die des Teilzahnrades, es wird eine relativ
zur Wärmeausdehnung des Kuppelelements größere Längenänderung
des Kuppelelements und damit über die Beaufschlagung der Teilzahnräder
über die Stirnenden des Kuppelelements eine Winkelverdrehung der Teilzahnräder
relativ zueinander bewirkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Teilzahnräder
randoffene Ausnehmungen auf, in denen das Kuppelelement einliegt. Die Ausnehmungen
sind bevorzugt im Zentralkörper angeordnet, wobei sich die Ausnehmungen der
beiden Teilzahnräder gegenüberliegen. Das Kuppelelement liegt in den randoffenen
Ausnehmungen ein, dergestalt, dass das eine Stirnende des Spiralkuppelelements von
dem einen Teilzahnrad, das andere Stirnende von dem anderen Teilzahnrad beaufschlagt
wird und sich jeweils an diesem abstützt. Die Kupplung der beiden Teilzahnräder
erfolgt auf diese Weise im Betrieb verdeckt, das Kuppelelement befindet sich zwischen
den beiden Teilzahnrädern und wird von diesen gewissermaßen eingeschalt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Kuppelelement
aus einem Werkstoff gebildet, der einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten
als mindestens eines der Teilzahnräder aufweist, und der zur Ausbildung des
Kuppelelements in die randoffenen Ausnehmungen eingespritzt wird, wobei die Teilzahnräder
eine Spritzform ausbilden. Das Kuppelelement wird demzufolge nicht als separates,
fertiges Bauteil beziehungsweise Halbzeug in die randoffenen Ausnehmungen eingebracht,
sondern durch Einspritzen des Werkstoffes des Kuppelelements in eben diesen randoffenen
Ausnehmungen hergestellt. Dies kann besonders vorteilhaft bei der Montage des Zahnrades,
also dem Zusammenfügen der beiden Teilzahnräder erfolgen und führt
zu einer erheblichen Einsparung an Verfahrensschritten und damit zu einer erheblichen
Kostenreduzierung.
Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines aus zwei Teilzahnrädern
bestehenden Zahnrades vorgeschlagen. Es ist vorgesehen, dass zur Ausbildung eines
zwischen den Teilzahnrädern in randoffenen Ausnehmungen angeordneten Kuppelelements
ein Werkstoff in die randoffene Ausnehmungen der Teilzahnräder eingespritzt
wird, wobei die Teilzahnräder eine Spritzform ausbilden. Das Zahnrad ist demzufolge
nach Einspritzen des Werkstoffes, der das Kuppelelement ausbildet, fertig gestellt.
Ein Trennen der Teilzahnräder und eine Nachbearbeitung kann erfolgen, ist aber
nicht erforderlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform kämmt das Zahnrad mit
einem weiteren Zahnrad. Änderungen im Flankenspiel, wie sie beispielsweise
erwärmungsbedingt nicht nur durch die thermische Ausdehnung der Zahnräder,
sondern insbesondere auch durch eine Änderung von zwischen Achsen der miteinander
kämmenden Zahnräder bestehenden Achsabständen erfolgt, werden durch
die Winkelverdrehung der Teilzahnräder und die hierdurch bewirkte Änderung
der effektiv wirksamen Zahnbreite ausgeglichen. Vergrößert sich beispielsweise
erwärmungsbedingt der Achsabstand der beiden miteinander kämmenden Zahnräder,
findet eine Winkelverdrehung der Teilzahnräder des einen Zahnrades statt, die
um so größer ausfällt, je stärker die Erwärmung ist (wobei
dem durch Erwärmung größer werdenden Achsabstand Rechnung getragen
wird). Das sich verdrehende Teilzahnrad wirkt hierbei als Kompensationszahnrad,
das bei der Veränderung des Achsabstands linear angepasster Kompensation das
Flankenspiel null hält oder bei Überkompensation durch eine Vergrößerung
der effektiv wirksamen Zahnbreite über das erforderliche Maß hinaus sogar
zu einer Verspannung und damit Überkompensation führt. Hierdurch ist ein
dauernder Eingriff der Zähne gewährleistet, so das kein unzulässiges
Flankenspiel besteht und demzufolge ein ruhiger Lauf der Zahnräder im Betrieb
gesichert ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Querschnittsdarstellung eines aus zwei Teilzahnrädern
bestehenden Zahnrades,
2 einen Längsschnitt eines Getriebes und
3 eine Detaildarstellung zweier Zähne.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Zahnrad
1, das mit einem zweiten Zahnrad 2 kämmt und hierbei ein
Getriebe 3 ausbildet. Das Zahnrad 1 und das zweite Zahnrad
2 weisen jeweils Zähne 4 auf, von denen der besseren Übersicht
wegen nur die zum Verständnis der Erfindung erforderlichen dargestellt sind.
Die Zähne 4 des Zahnrads 1 und des zweiten Zahnrad
2 weisen jeweils Flanken 5 auf, die an ihrer Flankenlinie
6 einen Wälzzylinder 7, im Schnitt dargestellt durch einen
Wälzkreis 8, ausbilden. Das Zahnrad 1 und das zweite Zahnrad
2 sind als außenverzahnte Stirnräder 9 mit Geradverzahnung
10 ausgebildet. Die Zähne 4 des Zahnrads 1 weisen
hierbei eine Zahndicke s auf, wobei zwischen den Zähnen 4 des Zahnrads
1 eine Lückenweite e besteht, jeweils bezogen auf den Wälzkreis
8. Das Zahnrad 1 und das zweite Zahnrad 2 weisen einen
Zentralkörper 11 auf, auf dem außenumfangsseitig die Zähne
4 angeordnet sind. Über den Zentralkörper 11 erfolgt
die Verbindung mit einer ersten Welle 32 zur Momentübertragung. Das
Zahnrad 1 ist längsgeteilt (siehe nachfolgende 2)
so dass sich zwei Teilzahnräder 12 ergeben. Von den Teilzahnrädern
12 ist das eine, erste Teilzahnrad 13 drehfest auf der ersten
Welle 32 angeordnet, wohingegen das andere, zweite Teilzahnrad
14 drehbar auf der ersten Welle 32 lagert. Das erste Teilzahnrad
13 ist mit dem zweiten Teilzahnrad 14 durch ein Kuppelelement
15 verbunden, das als Spiralkuppelelement 16 in einer in dem Zentralkörper
11 des zweiten Teilzahnrads 14 angeordneten Ausnehmung
35 angeordnet ist, und dessen eines, inneres Stirnende 17 eine
exzentrisch angeordnete, bevorzugt auf einem Radius liegende innere Abstützfläche
18 des ersten Teilzahnrads 13 beaufschlagt. Die innere Abstützfläche
18 ist folglich an dem ersten Teilzahnrad 13 drehfest angeordnet,
insbesondere einstückig zu diesem ausgebildet. Das andere, äußere
Stirnende 19 des Spiralkuppelelements 16 stützt sich an einer
äußeren Abstützfläche 20 ab, die mit einem größeren
Radialabstand zu einer ersten Drehachse 21 des Zahnrads 1 an dem
Zentralkörper 11 des zweiten Teilzahnrads 14 ausgebildet
ist und somit die Ankopplung des zweiten Teilzahnrads, das drehbar auf der Welle
lagert, an das mit dieser drehfest verbundene erste Teilzahnrad 13 bewirkt.
Das zweite Zahnrad 2 weist eine zweite Drehachse
22 auf, wobei zwischen der ersten Drehachse 21 und der zweiten
Drehachse 22 ein Achsabstand a besteht.
Durch Erwärmung im Betrieb des Getriebes 3 kann sich
der Achsabstand a verändern, insbesondere vergrößern. Hierdurch ergibt
sich zwischen den Zähnen 4 des Zahnrads 1 und des zweiten
Zahnrads 2 ein vergrößertes Flankenspiel. Durch das Spiralkuppelelement
16, das aus einem Kuppelelementmaterial 23 besteht, das einen
solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, dass es seine Längenausdehnung
(nämlich entlang der Spiralrichtung) bei Erwärmung vergrößert,
wird das zweite Teilzahnrad 14 gegen das erste Teilzahnrad 13
um einen Winkel y verschoben, so dass sich die bislang allein durch die Zahndicke
s bestimmte effektiv wirksame Zahndicke Seff vergrößert, so
dass sich eine Rechtsflanke 24 eines ersten Zahnes 25 des Zahnrads
1 an einer rechten Gegenflanke 26 eines ersten Gegenzahns
27 des zweiten Zahnrads 2 abstützt, wobei der erste Zahn
25 dem zweiten Teilzahnrad 14 zugehörig ist, das gegenüber
dem ersten Teilzahnrad 13 um den Winkel y winkelverschoben ist. Eine Linksflanke
28 eines zweiten Zahns 29, der dem ersten Teilzahnrad
13 zugehörig ist, stützt sich an einer linken Gegenflanke
30 eines zweiten Gegenzahns 31 des zweiten Zahnrads
2 ab. Die effektiv wirksame Zahndicke Seff wird folglich nicht
durch einen Zahn 4 des Zahnrads 1 bewirkt, sondern durch zueinander
leicht verschobene Zähne 4, nämlich den ersten Zahn
25, der auf dem zweiten Teilzahnrad 14 angeordnet ist, und den
zweiten Zahn 29, der auf dem ersten Teilzahnrad 13 angeordnet
ist, wobei die Winkelverschiebung um den Winkel y durch die thermische Ausdehnung
des Spiralkuppelelements 16 bewirkt wird, das sich einerseits mit seinem
inneren Stirnende 17 an der inneren Abstützfläche 18,
welche drehfest mit dem ersten Teilzahnrad 13 ausgebildet oder angeordnet
ist, andererseits mit seinem äußeren Stirnende 19 an der äußeren
Abstützfläche 20 abstützt, die innenumfangsseitig an dem
Zentralkörper 11 des zweiten Teilzahnrads 14 ausgebildet
ist. Die effektiv wirksame Zahndicke seff ist folglich die Summe der
Zahndicke SeZ des ersten Zahns 25 und der Zahndicke SzZ
des ersten Zahns 29 abzüglich der Länge der Überdeckung
des ersten Zahns 25 und des zweiten Zahns 26 im Bereich des Wälzkreises
8. Auf diese Weise lässt sich das Flankenspiel zwischen dem Zahnrad
1 und dem zweiten Zahnrad 2 ausgleichen; durch eine relativ zum
Flankenspiel stärkere Winkelverschiebung y (bewirkt durch eine stärkere
Längendehnung des Spiralkuppelelements 16) lässt sich eine Überkompensation
erreichen, so dass eine Verspannung zwischen den Zähnen 4 des zweiten
Zahnrads 2 und den um den Winkel y verschobenen Zähnen 4
des Zahnrads 1 (nämlich der ersten Zähne 25 und der
zweiten Zähne 29 des ersten Teilzahnrads 13 respektive des
zweiten Teilzahnrads 14) erreichen lässt.
2 zeigt die in 1 beschriebene
Anordnung im Längsschnitt. Das erste Zahnrad 1 ist hierbei auf einer
ersten Welle 32 angeordnet, wobei das zweite Teilzahnrad 14drehbar
auf der ersten Welle 32 lagert, wohingegen das erste Teilzahnrad
13 drehfest mit der ersten Welle 32 verbunden ist. Die Teilzahnräder
12 weisen jeweils die einander zugewandten Ausnehmungen 35 auf,
in die das Spiralkuppelelement 16 eingebracht ist. Die erste Welle
32 weist mit ihrer ersten Drehachse 21 zu einer zweiten Welle
33, mit ihrer zweiten Drehachse 22 auf der drehfest das zweite
Zahnrad 2 lagert, den Achsabstand a auf. Die Zähne 4 des
Zahnrads 1 und des zweiten Zahnrads 2 befinden sich in einem Eingriff
34. Hierbei ergibt sich bei Änderung des Achsabstand a, insbesondere
seiner Vergrößerung, eine Änderung des bereits zu 1
beschriebenen Flankenspiels der Zähne 4 innerhalb
des Eingriffs 34, der durch die zu 1 beschriebene
Verdrehung des zweiten Teilzahnrads 14 relativ zum ersten Teilzahnrad
13 um den Winkel y kompensiert wird.
Insbesondere bei Getrieben, die geradverzahnte Zahnräder
1, 2 aufweisen, lässt sich hierdurch eine sehr gute Laufruhe
bewirken. Vorteilhaft wird das Zahnrad 1 hierbei so ausgelegt, dass sowohl
das erste Teilzahnrad 13 als auch das zweite Teilzahnrad 14 eine
ausreichende Stabilität im Bereich der Zahnflanken aufweisen. Die Erfindung
kann aber vorteilhaft auch bei anderen Verzahnungen eingesetzt werden, beispielsweise
bei Schräg-, Pfeil-, Bogen- und Spiralverzahnungen, und zwar von Stirnrädern,
Hohlrädern und Kegelrädern.
3 zeigt ausschnittsweise die Änderung der effektiv
wirksamen Zahnbreite Sf bei Verdrehung des zweiten Teilzahnrads
14 relativ zu dem hier aufgrund der flächigen Überdeckung nicht
sichtbaren ersten Teilzahnrad 13. Hierzu sind einzeln dargestellt der erste
Zahn 25, der auf dem zweiten Teilzahnrad 14 angeordnet ist, und
der zweite Zahn 29, der auf dem ersten Teilzahnrad 13 angeordnet
ist. Das zweite Teilzahnrad 14 ist gegenüber dem ersten Teilzahnrad
13 um den Winkel y verdreht. Hierdurch liegen der erste Zahn
25 und der zweite Zahn 29, die jeweils auf dem Wälzkreis
8 die Zahndicke s aufweisen, nicht mehr fluchtend hintereinander. Auf dem
Wälzkreis 8 ergibt sich die effektiv wirksame Zahndicke seff
als die Summe der beiden Zahndicken s (nämlich des ersten Zahns 25
und des zweiten Zahns 29) abzüglich der auf dem Wälzkreis
8 noch erfolgenden Überdeckung (als Wälzkreisabschnitt x, also
seff = 2·s – x), für den Fall, dass der erste Zahn
25 und der zweite Zahn 29 denselben Querschnitt aufweisen, mithin
also auf dem Wälzkreis 8 dieselbe Zahndicke s besitzen. Für den
Fall abweichender Zahngeometrie ergibt sich die effektiv wirksame Zahndicke seff
als Summe der Zahndicke des ersten Zahns seZ plus der Zahndicke des zweiten
Zahns szZ abzüglich der Überdeckung auf dem Wälzkreis
8 als Wälzkreisabschnitt x.
- 1
- Zahnrad
- 2
- zweites Zahnrad
- 3
- Getriebe
- 4
- Zähne
- 5
- Flanken
- 6
- Flankenlinie
- 7
- Wälzzylinder
- 8
- Wälzkreis
- 9
- außenverzahntes Stirnrad
- 10
- Geradverzahnung
- 11
- Zentralkörper
- 12
- Teilzahnrad
- 13
- erstes Teilzahnrad
- 14
- zweites Teilzahnrad
- 15
- Kuppelelement
- 16
- Spiralkuppelelement
- 17
- inneres Stirnende
- 18
- innere Abstützfläche
- 19
- äußeres Stirnende
- 20
- äußere Abstützfläche
- 21
- erste Drehachse
- 22
- zweite Drehachse
- 23
- Kuppelelementmaterial
- 24
- Rechtsflanke
- 25
- erster Zahn
- 26
- rechte Gegenflanke
- 27
- erster Gegenzahn
- 28
- Linksflanke
- 29
- zweiter Zahn
- 30
- linke Gegenflanke
- 31
- zweiter Gegenzahn
- 32
- erste Welle
- 33
- zweite Welle
- 34
- Eingriff
- 35
- Ausnehmung
- s
- Zahndicke
- e
- Lückenweite
- a
- Achsabstand
- seff
- effektiv wirksame Zahndicke
- seZ
- Zahndicke des ersten Zahns
- szZ
- Zahndicke des zweiten Zahns
- x
- Wälzkreisabschnitt