DE10102294A1 - Tooth for gear wheel has tooth head of lower impact resistance than tooth flanks - Google Patents
Tooth for gear wheel has tooth head of lower impact resistance than tooth flanksInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Zahn für ein Zahnrad sowie ein Verfahren zum Herstellen oder Bearbeiten eines Zahnes für ein Zahnrad.The invention relates to a tooth for a gear and a method for manufacturing or machining a tooth for a gear.
Zahnräder dienen zum Übertragen von Drehmomenten und weisen dazu über ihren Umfang in der Regel gleichmäßig verteilt angeordnete Zähne auf. Das Drehmoment wird durch den Zahneingriff eines Zahnrades auf eines oder mehrere andere Zahnräder weitergeleitet. Die Verzahnungen jedes Zahnradpaares müssen die Drehbewegung zwi schen den beiden Zahnräder normalerweise gleichförmig durch Formschluß übertragen. Daraus ergeben sich Bedingung an die Verzahnungsgeometrie, denen die Zahnformen genügen müssen. Die Zähne eines Zahnrades weisen radial von der Drehachse des Zahnrades nach außen weisende Zahnköpfe und an beiden Seiten der Zahnköpfe sich anschließende, nach innen verlaufende Zahnflanken auf. Die Zahnflanken werden zu mindestens in Teilbereichen für den Eingriff der korrespondierenden Zähne des zuge hörigen zweiten Zahnrades genutzt. Am häufigsten verwendet werden Zahnräder mit evolventisch geformten Zahnflanken. Die für den Eingriff genutzten Bereiche der Zahnflanken sind dabei Kreisevolventen, die einer Kurve entsprechen, die der End punkt eines straffgespannten Fadens bei der Abwicklung von einem Kreis, dem soge nannten Grundkreis, beschreibt.Gears are used to transmit torques and have their own Teeth usually evenly distributed. The torque is caused by the meshing of a gear on one or more other gears forwarded. The teeth of each pair of gears must rotate between the two gears normally transmitted uniformly by positive locking. This results in a condition for the tooth geometry, which the tooth shapes have to suffice. The teeth of a gear face radially from the axis of rotation of the Gear facing outward tooth tips and on both sides of the tooth tips themselves subsequent tooth flanks running inwards. The tooth flanks become too at least in partial areas for the engagement of the corresponding teeth of the second gear used. Gears with are most commonly used involute tooth flanks. The areas used for the intervention Tooth flanks are circular involutes that correspond to a curve that the end point of a taut thread during the development of a circle, the so-called named base circle.
Die Verzahnung von Zahnrädern weist eine während des Eingriffs in die Verzahnung des korrespondierenden Zahnrades veränderliche Zahnfedersteifigkeit auf. Durch diese Steifigkeitsänderungen der Verzahnung sowie auch Verzahnungsabweichungen kommt es zu Schwingungen der Radkörper der Zahnradgetriebe und damit zu dynamischen Zusatzkräften zwischen den Zähnen, die sich der statischen Umfangskraft überlagern. Bei Tragfähigkeitsberechnungen von Zahnrädern wird dies durch den sogenannten Dy namikfaktor berücksichtigt, der dem Verhältnis der auf einen Zahn wirkenden maxima len Kraft zur Zahnkraft einer fehlerfreien Verzahnung unter statischen Bedingungen entspricht. Der Dynamikfaktor ist also ein Maß für das Schwingungsverhalten der Ver zahnung und des Zahnrades. Das Schwingungsverhalten wird vor allem von der Lage der Erregerfrequenz infolge des wechselnden Zahneingriffs zur Eigenfrequenz des Drehschwingungssystems des Zahnrades bestimmt. Um die Eigenfrequenz gibt es einen besonders kritischen Resonanzbereich und unterhalb der Eigenfrequenz einen unterkri tischen Bereich mit Vorresonanzen sowie oberhalb der Resonanzfrequenz über einem Zwischenbereich eine überkritischen Bereich mit überkritischen Resonanzen (Ober schwingungen). Die Eigenfrequenz ist im allgemeinen um so höher, je höher die Zahn federsteifigkeit ist.The toothing of gears has one during the engagement in the toothing of the corresponding gear variable tooth spring stiffness. Through this Changes in the stiffness of the toothing as well as toothing deviations come There are vibrations of the gear body of the gearbox and thus dynamic Additional forces between the teeth that overlap the static circumferential force. When calculating the load-bearing capacity of gears, this is done using the so-called Dy Namik factor taken into account, the ratio of the maxima acting on a tooth len force to the tooth force of a faultless toothing under static conditions equivalent. The dynamic factor is therefore a measure of the vibration behavior of the ver toothing and gear. The vibration behavior is mainly due to the location the excitation frequency as a result of the changing tooth mesh to the natural frequency of the Torsional vibration system of the gearwheel determined. There is one around the natural frequency particularly critical resonance range and below the natural frequency table area with pre-resonances and above the resonance frequency above one Intermediate range a supercritical range with supercritical resonances (upper vibrations). In general, the higher the tooth, the higher the natural frequency is spring stiffness.
Zur Reduzierung des Dynamikfaktors und der entsprechenden Belastungen des Zahn rades und der Verzahnung durch Schwingungen sind Profilkorrekturen am Zahnkopf oder am Zahnfuß bekannt. Hierbei werden die Kopfflanken teilweise hinter die Evol vente zurückgenommen. Damit können die Auswirkungen von Herstellabweichungen und belastungsbedingte Verformungen auf das Schwingungs- und Geräuschverhalten des Zahnrades teilweise kompensiert werden (VDI-Lexikon "Maschinenbau", herausge geben von Heinz M. Hiersig, VDI-Verlag 1995, Seiten 425, 426, 1355).To reduce the dynamic factor and the corresponding loads on the toothed wheel and the toothing due to vibrations, profile corrections on the tooth head or on the tooth base are known. The head flanks are partially withdrawn behind the Evol vente. This can partially compensate for the effects of manufacturing deviations and load-related deformations on the vibration and noise behavior of the gear (VDI lexicon "Mechanical Engineering", edited by Heinz M. Hiersig, VDI-Verlag 1995 , pages 425, 426, 1355).
Bei bekannten Zahnrädern mit einer Geradverzahnung verlaufen die Zähne am Umfang des Zahnrades im wesentlichen achsparallel zur Drehachse. Bei einer Geradverzahnung wird während des Eingriffs mit einem Gegenrad die Umfangskraft bei normaler Zahn höhe abwechselnd durch ein oder zwei Zahnpaare übertragen. Die Umfangskraft er zeugt keine Axialkraft, so daß an die Wellenlagerung im allgemeinen keine erhöhten Anforderungen gestellt sind.In known gearwheels with straight teeth, the teeth run on the circumference of the gear essentially axially parallel to the axis of rotation. With a straight toothing becomes the circumferential force in normal tooth during the engagement with a counter wheel height alternately transmitted by one or two pairs of teeth. The circumferential force does not produce any axial force, so that there is generally no increase in the shaft bearing Requirements are made.
Infolge des stoßartigen Eingriffsbeginns eines Zahnpaares muß bei schnell laufenden Zahnradgetrieben mit Geradverzahnung jedoch mit hohen dynamischen Zusatzkräften und einem entsprechend hohen Dynamikfaktor gerechnet werden, die ein ungünstiges Geräuschverhalten zur Folgen haben. Bei einem solchen Eingriffsstoß oder Eintritts stoß stößt der Zahnkopf eines der Zahnräder durch Verbiegung der in Eingriff stehen den Zähne an die Flanke eines Zahnes des Gegenrades, sobald der Zahn in Eingriff kommt. Dabei wird der stoßende Zahn schlagartig verformt, was hohe dynamische Be lastung und Geräuschentwicklung nach sich zieht.As a result of the sudden start of engagement of a pair of teeth, must run at high-speed Gearwheels with spur gearing but with high dynamic additional forces and a correspondingly high dynamic factor, which is an unfavorable Result in noise behavior. With such an impact or entry butt knocks the tooth head of one of the gears by bending the mesh the teeth on the flank of a tooth of the counter gear once the tooth is engaged comes. The abrupt tooth is suddenly deformed, resulting in high dynamic loading load and noise.
Bei einer Schrägverzahnung sind die Zähne am Umfang des Zahnrades schräg, im all gemeinen schraubenförmig, angeordnet. Die Zähne kommen dadurch allmählich in Eingriff. Außer bei sehr schmalen Rädern sind stets mehrere Zahnpaare gleichzeitig im Eingriff. So ist die Schwankung der Zahnfedersteifigkeit geringer als bei Geradverzah nung. Dies hat gleichförmigere Drehbewegungsübertragung und günstigeres Geräuschverhalten zur Folge als bei einer Geradverzahnung. Allerdings ist der Herstellungsauf wand für eine Schrägverzahnung höher als bei einer Geradverzahnung.With helical teeth, the teeth on the circumference of the gear are oblique, in all common helical, arranged. As a result, the teeth gradually come in Intervention. Except for very narrow wheels, there are always several pairs of teeth at the same time Intervention. The fluctuation in the tooth spring stiffness is less than with straight teeth voltage. This has more uniform rotary motion transmission and more favorable noise behavior as a result of a straight toothing. However, the manufacturing is up wall for a helical toothing higher than for a straight toothing.
Die bekannten Zahnräder werden aus einem durchgehenden Material hergestellt. Als Fertigungsverfahren sind spanende Fertigungsverfahren wie Wälzverfahren oder Hüll schnittverfahren oder Formfräs-, Räum-, Stanz- oder Kaltziehverfahren bekannt, bei denen das Zahnrad aus einem Rohling durch Materialabtrag hergestellt wird. Ferner sind auch räumliche Formverfahren zur spanlosen Fertigung von Zahnrädern bekannt, bei denen das Zahnrad in einer vollständigen räumlichen Matrize als Ganzes gegossen, gesintert, gepreßt oder gespritzt wird. Die räumlichen Formungsverfahren sind vor al lem bei Kunststoffzahnrädern gängig (vgl. VDI-Lexikon, a. a. O., Seite 1443 bis 1446).The known gears are made of a continuous material. As Manufacturing processes are cutting manufacturing processes such as rolling processes or envelopes known cutting process or form milling, broaching, punching or cold drawing process, at which the gear is made from a blank by material removal. Furthermore are also known spatial molding processes for the non-cutting production of gears, at who cast the gear as a whole in a complete spatial matrix, is sintered, pressed or injected. The spatial shaping processes are above al Common for plastic gears (see VDI lexicon, op. cit., pages 1443 to 1446).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Zahn für ein Zahnrad sowie ein Verfahren zum Herstellen oder Bearbeiten eines Zahnes für ein Zahnrad anzugeben, mit denen die Geräuschentwicklung beim Eingriff des Zahnes mit einem korrespondie renden Zahn eines anderen Zahnrades reduziert ist.The invention is based on the object, a tooth for a gear and a Specify methods for manufacturing or machining a tooth for a gearwheel, with which the noise development when the tooth engages with a correspondie renden tooth of another gear is reduced.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 22.This object is achieved according to the invention with the features of claim 1 or claim 22.
Der Zahn für ein Zahnrad gemäß Anspruch 1 umfaßt einen Zahnkopf, an den sich an entgegengesetzten Seiten Zahnflanken anschließen. Gemäß der Erfindung ist nun der Zahnkopf stoßweicher (oder: stoßdämpfender) ausgebildet als die Zahnflanken. Durch diese Dämpfungseigenschaft des Zahnkopfes werden beim Eintritt des Zahnes in die Verzahnung eines anderen Zahnrades auftretende Eintrittstöße gedämpft und die da durch erzeugten Geräusche gemindert. Die Zahnflanken bleiben dagegen stoßhärter als der Zahnkopf, um die zur Übertragung der Drehmomente erforderlichen Kräfte auf nehmen und übertragen zu können. Der für die Drehmomentübertragung nicht benö tigte Zahnkopf nimmt somit durch die stärkere und im allgemeinen elastische Verfor mung die Eintrittsstöße weicher auf als die Zahnflanken. Die Zahnfedersteifigkeit des Zahnes ist also im Bereich des Zahnkopfes geringer als im Bereich der Zahnflanken.The tooth for a gear wheel according to claim 1 comprises a tooth head to which is attached Connect opposite sides of the tooth flanks. According to the invention is now the Tooth head is made softer (or: more shock absorbing) than the tooth flanks. By this damping property of the tooth head is when the tooth enters the Interlocking teeth of another gear damping the entry shocks and that there diminished by generated noise. The tooth flanks, on the other hand, remain harder than the tooth head to the forces required to transmit the torques to take and transfer. Not required for torque transmission The tooth tip thus takes on the stronger and generally elastic deformation the entrance bumps softer than the tooth flanks. The tooth spring stiffness of the The tooth is therefore less in the area of the tooth head than in the area of the tooth flanks.
Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 22 kann ein Zahn für ein Zahnrad ursprünglich hergestellt oder nachträglich bearbeitet werden, derart, daß ein Zahnkopf stoßweicher als zwei sich an den Zahnkopf entgegengesetzten Seiten anschließende Zahnflanken erzeugt wird. According to the method of claim 22, a tooth may originally be for a gear are manufactured or subsequently processed, such that a tooth head is softer as two tooth flanks adjoining the tooth head is produced.
Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Anwendungen des Zahnes gemäß der Erfindung sowie des Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 bzw. Anspruch 22 jeweils abhängigen Ansprüchen.Advantageous refinements, developments and applications of the tooth according to the invention and the method according to the invention result from the Claim 1 and claim 22, each dependent claims.
Die stoßweiche Eigenschaft des Zahnkopfes wird in einer besonders vorteilhaften Aus führungsform durch Schwächung des Zahnkopfes erreicht, indem im Zahnkopf wenig stens eine Ausnehmung mit vorgegebenen Abmessungen ausgebildet wird. Durch die Gestaltung und Anordnung der Ausnehmung und der entsprechend stehenbleibenden Dämpfungsbereiche des Zahnkopfes kann die Zahnsteifigkeit während des Eingriffs einem gewünschten Verlauf angepaßt und dadurch der Eintrittsstoß und die Geräusche gedämpft werden. Die Ausnehmung im Zahnkopf kann durch Materialabtragung oder auch durch ein räumliches Formverfahren erzeugt werden.The shock-soft property of the tooth head is particularly advantageous leadership achieved by weakening the tooth head by little in the tooth head at least one recess with predetermined dimensions is formed. Through the Design and arrangement of the recess and the corresponding standing Damping areas of the tooth head can reduce tooth rigidity during the procedure adapted to a desired course and thereby the entry shock and the noise be dampened. The recess in the tooth head can be removed by material or can also be generated by a spatial molding process.
Die Ausnehmung ist insbesondere von den beiden Zahnflanken im wesentlichen gleich beabstandet und vorzugsweise auch im wesentlichen symmetrisch zu einer Symmetriee bene des Zahnes ausgebildet.The recess is essentially the same, particularly of the two tooth flanks spaced and preferably also substantially symmetrical to a symmetry level of the tooth.
Der Zahn und/oder die Anordnung und Ausbildung der Ausnehmung können jedoch für bestimmte Anwendungen auch asymmetrisch sein.However, the tooth and / or the arrangement and design of the recess can also be asymmetrical for certain applications.
Die Zahnkopfkontur kann in den zwischen der Ausnehmung und den Zahnflanken verbleibenden Bereichen wenigstens annähernd kreislinienförmig gestaltet sein.The contour of the tooth tip can be in the between the recess and the tooth flanks remaining areas should be at least approximately circular.
Die Ausnehmung im Zahnkopf hat in einer bevorzugten Ausführungsform von der Einhüllenden des Zahnkopfes aus gesehen eine zumindest überwiegend konvexe Ge stalt.The recess in the tooth head has in a preferred embodiment of the Envelope of the tooth head seen an at least predominantly convex Ge Stalt.
Im allgemeinen weist der Zahn Stirnseiten an den die Zahnflanken verbindenden seitli chen Endbereichen auf. Die Ausnehmung kann dann in einer Weiterbildung bis zu den Stirnseiten verlaufen und somit an den Enden offen sein oder auch in einer anderen Weiterbildung von einem oder mehreren Dämpfungsbereichen zwischen der Ausneh mung und den Stirnseiten begrenzt sein.In general, the tooth has end faces on the side connecting the tooth flanks end areas. The recess can then be further developed up to the End faces run and thus be open at the ends or in another Training of one or more damping areas between the exception tion and the end faces.
Die Gestalt der Zahnflanken und/oder des ganzen Zahnes ist vorzugsweise zumindest überwiegend konvex. Diese Ausführungsform ist besonders für Zahnräder mit Außen verzahnung geeignet. The shape of the tooth flanks and / or the entire tooth is preferably at least predominantly convex. This embodiment is particularly for external gears suitable gearing.
Alternativ dazu können Zahnflanken und/oder Zahn auch zumindest überwiegend konkav sein, insbesondere in der Anwendung als Innenverzahnung eines Zahnrades.Alternatively, tooth flanks and / or teeth can also be at least predominantly be concave, especially when used as an internal toothing of a gear.
Insbesondere in der Ausführungsform mit Ausnehmung im Kopf besteht der Zahn vorzugsweise durchgehend aus einem Material.The tooth exists in particular in the embodiment with a recess in the head preferably consistently of one material.
In einer anderen, ebenfalls vorteilhaften Auführungsform ist der Zahnkopf aus einem stoßweicheren Material gebildet als die Zahnflanken, der Zahn also aus wenigstens zwei verschiedenen Materialien gebildet. Bei einem solchen Zweikomponentenzahn ist eine Ausnehmung nicht mehr erforderlich, kann aber dennoch zusätzlich vorhanden sein.In another, likewise advantageous embodiment, the tooth head is made of one Shock-softer material formed than the tooth flanks, the tooth from at least two different materials. With such a two-component tooth there is one Recess is no longer necessary, but may still be present.
Als Zahnmaterial wird zumindest im Bereich der Zahnflanken vorzugsweise wenigstens ein Material mit einem hohen Elastizitätsmodul, vorzugsweise wenigstens 10.109 N/m2, verwendet. Für den Zahnkopf kann auch ein Material mit einem Elastizitätsmo dul von höchstens 3.109 N/m2 verwendet werden.At least one material with a high modulus of elasticity, preferably at least 10.10 9 N / m 2 , is preferably used as the tooth material, at least in the region of the tooth flanks. A material with a modulus of elasticity of at most 3.10 9 N / m 2 can also be used for the tooth head.
In einer besonderes vorteilhaften Ausführungsform sind die Zahnflanken wenigstens annähernd evolventisch geformt.In a particularly advantageous embodiment, the tooth flanks are at least roughly involute shaped.
Ein Zahnrad mit mehreren in Umfangsrichtung verteilt, vorzugsweise äquidistant, ange ordneten Zähnen gemäß der Erfindung weist eine deutlich geringere Geräuschentwick lung auf als bekannte Zahnräder. Die gilt insbesondere für Zahnräder mit Geradverzah nung, jedoch auch bei Zahnrädern mit Schrägverzahnung.A gearwheel with several distributed in the circumferential direction, preferably equidistant ordered teeth according to the invention has a significantly lower noise on known gears. This applies in particular to gearwheels with straight teeth tion, but also for helical gears.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in derenThe invention is further explained below using exemplary embodiments. Reference is made to the drawings in which
Fig. 1 ein Zahn eines Zahnrades mit einer Ausnehmung im Zahnkopf gemäß der Er findung in einem Querschnitt, Fig. 1, a tooth of a gear with a recess in the tooth head according to the invention it in a cross section,
Fig. 2 ein Zahn eines Zahnrades gemäß dem Stand der Technik in einem Querschnitt, Fig. 2 is a tooth of a gear according to the prior art in a cross section,
Fig. 3 ein Zahn eines Zahnrades gemäß der Erfindung mit einer als Längsrille ausge bildeten Ausnehmung in einer perspektivischen Ansicht und Fig. 3 shows a tooth of a gear according to the invention with a recess formed as a longitudinal groove in a perspective view and
Fig. 4 ein Zahn eines Zahnrades gemäß der Erfindung mit konkaven Zahnflanken und
Ausnehmung im Zahnkopf in einem Querschnitt
jeweils schematisch veranschaulicht sind. Einander entsprechende Teile und Größen in
den Fig. 1 bis 4 sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 4 shows a tooth of a gear wheel according to the invention with concave tooth flanks and recess in the tooth head in a cross section
are each illustrated schematically. Corresponding parts and sizes in FIGS. 1 to 4 are provided with the same reference numerals.
Die Erfindung geht aus von einem an sich bekannten, in Fig. 2 dargestellten Zahn 2' eines nicht weiter dargestellten Zahnrades, der in einem Zahnfußbereich 4' mit einem Zentralbereich 5' des Zahnrades verbunden ist und ausgehend vom Zahnfußbereich 4' sich nach außen in Radialrichtung gesehen verjüngt. Die Außenkontur des Zahnes 2' bildet dabei zwei seitliche Zahnflanken 20' und 21', die über Übergangsbereiche 25' bzw. 26' in einen radial am weitesten außen angeordneten Zahnkopf 22' münden. Die Zahnflanken 20' und 21' des bekannten Zahnes 2' gemäß Fig. 2 weisen eine Evolven tengestalt auf. Der Zahnkopf 22' kann zwischen den Übergangsbereichen 25' und 26' eine Kreislinienform (Kreisbogenform) aufweisen oder auch im wesentlichen gerade verlaufen. Gemäß dem Stand der Technik besteht nun der Zahn 2' aus einem einzigen Material mit einem vorgegebenen Elastizitätsmodul. Der Elastizitätsmodul des Materials für den Zahn 2' und dessen Geometrie bestimmen die Zahnfedersteifigkeit und damit die Übertragungseigenschaften des Zahnes 2' beim Übertragen von Drehmomenten bei Eingriff in Zähne eines anderen, nicht dargestellten Zahnrades.The invention is based on a tooth 2 ′, known per se, shown in FIG. 2 of a gearwheel, not shown, which is connected in a tooth root region 4 ′ to a central region 5 ′ of the gearwheel and, starting from the tooth root region 4 ′, outwards in the radial direction seen rejuvenated. The outer contour of the tooth 2 'forms two lateral tooth flanks 20 ' and 21 'which open into a radially outermost tooth head 22 ' via transition regions 25 'and 26 '. The tooth flanks 20 'and 21 ' of the known tooth 2 'according to FIG. 2 have an involute shape. The tooth tip 22 'can have a circular line shape (circular arc shape) between the transition regions 25 ' and 26 'or can also run essentially straight. According to the prior art, the tooth 2 'now consists of a single material with a predetermined modulus of elasticity. The modulus of elasticity of the material for the tooth 2 'and its geometry determine the tooth spring stiffness and thus the transmission properties of the tooth 2 ' when transmitting torque when engaging teeth of another gear, not shown.
Beim Eingriff des Zahnes 2' in die entsprechenden Zähne des anderen Zahnrades treten nun jedoch beim Stand der Technik Eintrittstöße auf, die eine erhebliche Geräuschent wicklung durch Schwingungsanregung des Zahnmaterials des Zahnes 2' nach sich zie hen können. Der Elastizitätsmodul des Zahnmaterials des Zahnes 2' wird nämlich mög lichst hoch gewählt, um ein gutes Übertragungsverhalten zu erreichen. Ein hoher Elasti zitätsmodul hat aber zur Folge, daß auch die Schwingungsanregung besonders gut ist und dadurch die Geräuscherzeugung besonders störend. Der Zahnkopf 22' stößt bei Belastung des Zahnrades durch die Verbiegung der in Eingriff stehenden Zähne an die Flanke eines Zahnes des Gegenrades (nicht dargestellt), sobald der Zahn 2' in Eingriff kommt. Bei diesem Eintrittstoß wird der stoßende Zahn 2' schlagartig verformt, was hohe dynamische Belastungen und Geräuschentwicklung nach sich zieht. Erst danach tritt das eigentliche evolventische Gleit-Wälzen auf.When the tooth 2 'engages in the corresponding teeth of the other gear wheel, however, entry shocks occur in the prior art which can result in considerable noise development due to vibration excitation of the tooth material of the tooth 2 '. The modulus of elasticity of the tooth material of the tooth 2 'is namely chosen to be as high as possible in order to achieve good transmission behavior. A high elasticity module, however, has the consequence that the vibration excitation is particularly good and thus the generation of noise is particularly disturbing. The toothed head 22 'abuts the flank of a tooth of the counter wheel (not shown) when the gearwheel is loaded by the bending of the meshing teeth as soon as the tooth 2 ' comes into engagement. During this entry impact, the impacting tooth 2 'is suddenly deformed, which results in high dynamic loads and noise. Only then does the actual involute glide rolling occur.
Der Zahn 2' gemäß dem Stand der Technik kann dabei bezüglich seiner Verbiegung unter Last näherungsweise als Biegebalken angesehen werden. Die Amplitude der bei dem Eintrittsstoß vernichteten Energie ist proportional dem Maß der Verformung des Zahnes 2' und der Umlaufgeschwindigkeit um die (nicht dargestellte) Drehachse. Dar aus läßt sich ableiten, daß der Zahn 2' möglichst steif sein sollte, damit die Verformung durch eine gewisse zu übertragende Last so gering wie möglich ist. Andererseits bedeu tet eine steife Verzahnung, daß der Elastizitätsmodul (E-Modul) des Materials des Zah nes 2' hoch ist. Ein derart gering elastisches Material leitet Schwingung gut und mit geringer Dämpfung, so daß im Zahneingriff angeregte Schwingungen sehr leicht an die Welle und die Lager und schließlich ans Gehäuse weitergeleitet werden.The tooth 2 'according to the prior art can be regarded approximately as a bending beam with regard to its bending under load. The amplitude of the energy wasted on the entry shock is proportional to the degree of deformation of the tooth 2 'and the rotational speed about the axis of rotation (not shown). From this it can be deduced that the tooth 2 'should be as stiff as possible so that the deformation caused by a certain load to be transmitted is as small as possible. On the other hand, a rigid toothing means that the elastic modulus (modulus of elasticity) of the material of the tooth 2 'is high. Such a low elastic material conducts vibration well and with little damping, so that vibrations excited in meshing are very easily passed on to the shaft and the bearings and finally to the housing.
Würde man nun den gesamten Zahn 2' gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Stand der Tech nik aus einem stoßweichen Zahnradmaterial bilden, so würde zwar die Schallanregung durch den Eintrittsstoß sehr gut gedämpft, jedoch erlaubte dies keine so hohen Drehmomente zu übertragen.If one were to form the entire tooth 2 'in accordance with the state of the art shown in FIG. 2 from a shock-resistant gear material, the sound excitation would be very well damped by the entry shock, but this did not allow such high torques to be transmitted.
Fig. 1 zeigt nun einen Zahn 2 gemäß der Erfindung, bei dem die Geräuschentwicklung beim Eintrittsstoß erheblich reduziert ist. Der Zahn 2 ist Bestandteil eines Zahnrades, von dem ansonsten nur ein Zentralbereich 5 dargestellt ist und besteht wieder aus einem durchgehenden, stoßharten Material mit einem hohen Elastizitätsmodul. Die für die Geräuschentwicklung störenden stoßharten und damit auch schallharten Eingenschaf ten des Zahnes 2 im an sich für den Eingriff und die Drehmomentübertragung nicht benötigten Kopfbereich des Zahnkopfes 22 werden nun reduziert, indem im Zahnkopf 22 eine Ausnehmung 3 vorgesehen wird. Fig. 1 now shows a tooth 2 according to the invention, in which the noise development at the entry shock is significantly reduced. The tooth 2 is part of a gear wheel, of which only a central region 5 is otherwise shown, and again consists of a continuous, impact-hard material with a high modulus of elasticity. The disturbing for the noise shock-hard and thus also reverber th Einenschaf th of the tooth 2 in the per se for the engagement and torque transmission head area of the tooth head 22 are now reduced by a recess 3 is provided in the tooth head 22 .
Die Ausnehmung 3 weist zwei Seitenwandungsbereiche 33 und 34 und einen Bodenbe reich 35 auf, die den im allgemeinen luftgefüllten Innenraum der Ausnehmung 3 be grenzen. Die ursprüngliche Begrenzung des Zahnkopfes 22 ist als Einhüllende 32 der Ausnehmung 3 gestrichelt eingezeichnet. Die Ausnehmung 3 ist wenigstens annähernd mittig zwischen den Zahnflanken 20 und 21 angeordnet und im wesentlichen spiegel symmetrisch zu einer Symmetrieachse S ausgebildet. Vorzugsweise ist auch der gesamte Zahn 2 symmetrisch zur Symmetrieachse S ausgebildet.The recess 3 has two side wall regions 33 and 34 and a Bodenbe rich 35 , which limit the generally air-filled interior of the recess 3 be. The original limitation of the tooth tip 22 is shown in dashed lines as the envelope 32 of the recess 3 . The recess 3 is arranged at least approximately centrally between the tooth flanks 20 and 21 and is formed essentially mirror-symmetrically to an axis of symmetry S. The entire tooth 2 is preferably also formed symmetrically to the axis of symmetry S.
Die Zahnflanken 20 und 21 können aber auch unsymmetrisch zueinander sein. Ebenso kann auch die Ausnehmung 3 asymmetrisch sein.The tooth flanks 20 and 21 can also be asymmetrical to one another. The recess 3 can also be asymmetrical.
Zwischen den Zahnflanken 20 und 21 sowie der Ausnehmung 3 sind somit zwei horn artige Fortsätze als Dämpfungsbereiche 23 und 24 des Zahnes 2 gebildet. Diese Dämp fungsbereiche 23 und 24 weisen wegen der Materialschwächung durch die Ausnehmung 3 eine höhere Biegeelastizität nach Art einer Feder auf, so daß die Zahnfedersteifigkeit im Bereich des Zahnkopfes 22 als ganzes verringert ist. Dadurch können Eintrittstöße, die beim Eingriff des Zahnes 2 in einen korrespondierenden Zahn eines nicht darge stellen zweiten Zahnrades auftreten können, im Bereich des Zahnkopfes 22 federela stisch abgedämpft und dadurch die Entstehung akustischer Wellen im Körper des Zah nes 2 verringert werden. Between the tooth flanks 20 and 21 and the recess 3 , two horn-like extensions are thus formed as damping areas 23 and 24 of the tooth 2 . This damping areas 23 and 24 have a higher bending elasticity in the manner of a spring due to the weakening of material through the recess 3 , so that the tooth spring stiffness in the region of the tooth tip 22 is reduced as a whole. As a result, entry shocks, which can occur when the tooth 2 engages in a corresponding tooth of a second gear, not shown in the figure, can be damped in the area of the tooth head 22 in a manner that reduces the occurrence of acoustic waves in the body of the tooth 2 .
Da die Ausnehmung 3 in einem für die mechanische Übertragungseigenschaften des Zahnes 2 nicht relevanten Bereich des Zahnkopfes 22 angeordnet ist, kann sie in ihren Abmessungen in weiten Grenzen variiert werden und dadurch einer gewünschten Stoß dämpfung angepaßt werden.Since the recess 3 is arranged in a region of the tooth tip 22 which is not relevant for the mechanical transmission properties of the tooth 2 , its dimensions can be varied within wide limits and thereby a desired shock absorption can be adapted.
In den unterhalb des Zahnkopfes 22 liegenden Seitenbereichen der Zahnflanken 20 und 21 des Zahnes 2 besteht der Zahn 2 dagegen weiterhin aus dem stoßharten Material und weist in diesen Bereichen wegen der dort nicht vorhandenen Ausnehmung 3 auch wei terhin eine ausreichende Stoßhärte und ausreichende Zahnfedersteifigkeit auf, um die erforderlichen Drehmomente zu übertragen.In the side areas of the tooth flanks 20 and 21 of the tooth 2 lying below the tooth tip 22 , on the other hand, the tooth 2 still consists of the shock-resistant material and, in these areas, also has sufficient impact hardness and sufficient tooth spring stiffness because of the recess 3 which is not present there to transmit the required torques.
Fig. 3 zeigt nun eine Zahn 2 gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Gesamtan sicht, dessen Querschnitt ähnlich wie der in Fig. 1 gezeigte Querschnitt gebildet ist. Die Breite des Zahnfußes 4 des Zahnes 2 ist mit B, die Breite des Zahnkopfes 22 mit b, die Breite der Ausnehmung 3 an ihrem oberen Rand mit b2 und die Breite der Ausneh mung 3 im Bodenbereich 35 mit b1 bezeichnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Breite b1 des Bodenbereiches 35 kleiner als die Breite b2 des außenliegenden Öff nungsbereiches der Ausnehmung 3, so daß sich die Ausnehmung 3 nach innen in den Zahn 2 hin verjüngt. Dadurch ist der Zahn 2 im Bereich der Seitenwandung 32 und 34 der Ausnehmung 3 konkav gebildet bzw. komplementär die Ausnehmung 3 von der Außenseite des Zahnes 2 her gesehen konvex gestaltet. Fig. 3 now shows a tooth 2 according to the invention in a perspective overall view, the cross section of which is formed similar to the cross section shown in FIG. 1. The width of the tooth base 4 of the tooth 2 is denoted by B, the width of the tooth head 22 by b, the width of the recess 3 at its upper edge by b2 and the width of the recess 3 in the bottom region 35 by b1. In the illustrated embodiment, the width b1 of the bottom region 35 is smaller than the width b2 of the outer opening region of the recess 3 , so that the recess 3 tapers inwards into the tooth 2 . As a result, the tooth 2 is concavely formed in the region of the side walls 32 and 34 of the recess 3 or, complementarily, the recess 3 is convex as seen from the outside of the tooth 2 .
Der dargestellte Zahn 2 ist als Teil einer Geradverzahnung eines Geradzahnstirnrades ausgebildet, bei dem der Zentralbereich 5 des Zahnrades sich mit dem Zahn 2 und wei teren nicht dargestellten, vorzugsweise identisch zum Zahn 2 aufgebauten Zähnen um eine nicht dargestellte Drehachse dreht. Die axial, also parallel zur Drehachse, verlau fende Länge l des Zahnes 2 entspricht somit dem Abstand der axialen Stirnseiten 27 und 28 des Zahnes 2.The tooth 2 shown is formed as part of a straight toothing of a spur gear, in which the central region 5 of the gear rotates with the tooth 2 and other teeth, not shown, preferably identical to tooth 2 , about an axis of rotation, not shown. The axially, that is parallel to the axis of rotation, duri fende length l of the tooth 2 thus corresponds to the distance between the axial end faces 27 and 28 of the tooth 2 .
Im in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel mündet die Ausnehmung 3 an beiden Stirnseiten 27 und 28 aus, ist also zu den Stirnseiten 27 und 28 hin offen. Entsprechend ist die Länge der Ausnehmung 3 gleich der Länge l des Zahnes 2. Der Querschnitt des Zahnes 2 in einer senkrecht zur Drehachse gerichteten Schnittebene ist vorzugsweise über die gesamte Zahnlänge l konstant und im dargestellten Ausführungsbeispiel spie gelsymmetrisch zu einer durch die Mitte des Zahnes 2 verlaufenden und vorzugsweise die Drehachse enthaltenden Symmetrieebene. In the exemplary embodiment shown in FIG. 3, the recess 3 opens out on both end faces 27 and 28 , and is therefore open towards the end faces 27 and 28 . Accordingly, the length of the recess 3 is equal to the length l of the tooth 2 . The cross section of the tooth 2 in a section plane directed perpendicular to the axis of rotation is preferably constant over the entire tooth length l and, in the exemplary embodiment shown, mirror-symmetrical to a plane of symmetry running through the center of the tooth 2 and preferably containing the axis of rotation.
Der Zahn 2 gemäß Fig. 1 und Fig. 3 weist konvexe Zahnflanken 20 und 21 auf. Diese Gestalt der Zahnflanken 20 und 21 ist besonders für Außenverzahnungen von Zahnrä dern geeignet.The tooth 2 of FIG. 1 and FIG. 3 has convex tooth flanks 20 and 21. This shape of the tooth flanks 20 and 21 is particularly suitable for external toothing of gear wheels.
Jedoch ist es ebenso möglich, die Zahnflanken des Zahnes gemäß der Erfindung kon kav auszubilden. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Zahnes 2 mit kon kaven Zahnflanken 40 und 41 und einer Ausnehmung 3 im Zahnkopf 22. Der Zahn 2 gemäß Fig. 4 ist Teil eines Zahnrades mit einer Innenverzahnung. Der an den Zahnrad fuß 4 anschließende Bereich des Zahnrades ist also ein Außenbereich 50, der radial zur Drehachse weiter außen liegt als der Zahn 2.However, it is also possible to form the tooth flanks of the tooth according to the invention in a concave manner. Fig. 4 shows an embodiment of such a tooth 2 with con cave tooth flanks 40 and 41 and a recess 3 in the tooth head 22nd The tooth 2 according to FIG. 4 is part of a gearwheel with an internal toothing. The area of the gear wheel adjoining the gear wheel 4 is therefore an outer area 50 , which is located radially further to the axis of rotation than the tooth 2 .
Gemäß der Erfindung wird also der bekannte Zahnkopf 22' gemäß Fig. 2, der norma lerweise keine Funktion besitzt, in ein dämpfendes Element gemäß dem Zahnkopf 22 des Zahnkopfes 2 mit den beiden Dämpfungsbereichen 23 und 24 gemäß Fig. 1, 3 oder 4 umgewandelt und dadurch der geräuschanregende Eintrittsstoß gemindert. Es wird nur der Teil des Zahnes 2, der beim Stoß beansprucht wird, stoßweich gestaltet. Durch die punktuelle Schwächung des Zahnkopfes 22 wird erreicht, daß der Zahnkopf 22 Stö ße leicht verkraftet und dämpft, während der Zahn 2 als Ganzes seine Steifigkeit und Festigkeit behält.According to the invention, the known tooth tip 22 'according to FIG. 2, which normally has no function, is converted into a damping element according to the tooth tip 22 of the tooth tip 2 with the two damping areas 23 and 24 according to FIG. 1, 3 or 4 and thereby reducing the noise-stimulating entry shock. Only the part of the tooth 2 that is stressed during impact is designed to be shock-resistant. The punctiform weakening of the tooth tip 22 ensures that the tooth tip 22 easily copes with and damps impacts, while the tooth 2 as a whole retains its rigidity and strength.
Über die Gestalt des Kopfeinschnittes, also der Ausnehmung 3 und der Übergangsbe reiche 25 und 26, kann die Größe und der Verlauf der Steifigkeit des Zahnkopfes 22 beim Eintrittsstoß in weiten Grenzen eingestellt werden. Variiert werden können die Größe, Gestalt, Tiefe und das Öffnungsverhältnis des Kopfeinschnittes, entsprechend den Breiten b1 und b2 sowie der Länge l der Ausnehmung 3 im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3. Dadurch kann ein besonders harmonischer Übergang vom ersten Kon takt des Zahnes 2 bis zum Vollast-Tragen auf der Zahnflanke 20 bzw. 21 erzielt werden. Schwingungstechnisch ausgedrückt erfolgt bei herkömmlicher Verzahnung gemäß Fig. 2 eine rechteckige Stoßanregung, während durch die stoßweiche Ausbildung des Zahn kopfes 22 gemäß Fig. 1, 3 oder 4 die Stoßanregung harmonischer gestaltet wird, so daß die Frequenzanregung besonders höherer Frequenzen sinkt. Der Eintrittskraftstoß ist in Fig. 3 mit einem Pfeil und der mit F bezeichneten Eintrittskraft veranschaulicht.About the shape of the head incision, that is, the recess 3 and the Rich 25 and 26 transition areas, the size and the course of the stiffness of the tooth tip 22 at the entry impact can be set within wide limits. The size, shape, depth and the opening ratio of the head incision can be varied, corresponding to the widths b1 and b2 and the length l of the recess 3 in the exemplary embodiment according to FIG. 3. This allows a particularly harmonious transition from the first contact of the tooth 2 to Full load bearing on the tooth flank 20 or 21 can be achieved. Expressed in terms of vibration, 3 or 4, the impact excitation is designed harmonic occurs in conventional gearing according to FIG. 2 a rectangular impact excitation, while the head by the shock soft formation of the tooth 22 of FIG. 1 so that the frequency of excitation particularly higher frequencies decreases. The entry force shock is illustrated in FIG. 3 with an arrow and the entry force designated F.
Die Ausbildung einer Ausnehmung 3 im Zahnkopf 22 ist bei in Urform hergestellten Zahnrädern ohne zusätzlichen Werkzeug-, Zeit- oder Kostenaufwand realisierbar. Es ist einfach die Form für den Formungsprozeß entsprechend zu variieren. Die geräuschdämpfende Maßnahme gemäß der Erfindung kann aber auch bei bereits herge stellten Zahnrädern durch nachträgliches Bearbeiten verwirklicht werden.The formation of a recess 3 in the tooth head 22 can be realized in the case of gearwheels produced in original form without additional tool, time or cost expenditure. It is easy to vary the shape for the molding process accordingly. The noise-damping measure according to the invention can, however, also be carried out by subsequent machining in the case of gears already manufactured.
In Abwandlung zu den in Fig. 1, Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Ausführungsformen eines Zahnes 2 gemäß der Erfindung kann auch für den Zahnkopf 22 ein Material mit einem niedrigeren Elastizitätsmodul, also ein stoßweicheres Material, und ein steiferes, also stoßhärteres, Material für den übrigen Zahn 2, insbesondere an dessen Zahnflanken 20 und 21, verwendet werden. Die Herstellung solcher zweikomponentigen Zähne 2 und Zahnräder ist zwar fertigungstechnisch etwas aufwendiger, erzielt jedoch ebenfalls die vorteilhafte Wirkung gemäß der Erfindung, daß die Geräusche an den Zahnradgetrieben reduziert werden. Die beiden Materialien bei dieser zweikomponentigen Ausbildung des Zahnes 2 können miteinander durch Legieren, Schweißen oder eine andere Verbin dungstechnik verbunden werden und im Anschluß gemeinsam bearbeitet werden zur Erzeugung der gewünschten Zahnform.In a modification of those shown in Fig. 1, Fig. 3 and Fig. 4 shown embodiments of a tooth 2 in accordance with the invention may also for the tooth head 22 of a material having a lower modulus of elasticity, that is a shock softer material and a stiffer, so push harder, material for the remaining tooth 2 , in particular on the tooth flanks 20 and 21 thereof. The production of such two-component teeth 2 and gearwheels is somewhat more complex in terms of production technology, but also achieves the advantageous effect according to the invention that the noise on the gearwheels is reduced. The two materials in this two-component design of the tooth 2 can be joined together by alloying, welding or another connec tion technology and then processed together to produce the desired tooth shape.
Für die Materialkombination aus einem stoßhärteren und einem stoßweicheren Material können zwei Kunststoffe mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul, beispielsweise ein faserverstärkter Kunststoff und ein unverstärkter Kunststoff, insbesondere Elastomer, oder auch eine Paarung aus einem Metall wie Stahl und einem stoßweicheren Kunststoff verwendet werden.For the material combination of a shock-hard and a shock-soft material can two plastics with different modulus of elasticity, for example one fiber-reinforced plastic and an unreinforced plastic, in particular elastomer, or a combination of a metal such as steel and a more shock-resistant plastic be used.
Zum Herstellen des Zahnes 2 und eines Zahnrades gemäß der Erfindung können mate rialabtragende Verfahren, insbesondere Wälzverfahren wie Wälzfräsen oder Wälzschlei fen, Wälzschälen, Wälzstoßen oder Wälzhobeln oder Profilverfahren (Formgebung oh ne Wälzbewegung) wie beispielsweise Scheibenfräsen, Formschleifen, Formfräsen, Räumen oder Stanzen, oder auch räumliche Formverfahren (Formprozesse) ohne Mate rialabtragung (spanlose Fertigung) wie beispielsweise Gießen, Spritzgießen, Fließpressen, Kalt-Ziehen, Gesenkschmieden oder Sintern verwendet werden. Bei den materialabtra genden Verfahren wird aus einem Rohkörper das Zahnrad mit den Zähnen durch Mate rialabtrag erzeugt, während bei den räumlichen Formverfahren eine räumliche Matrize oder Form des Zahnrades verwendet wird und das Material für das Zahnrad in diese Form hineingebracht wird. Beim räumlichen Formverfahren wird ein zweikomponenti ger Zahn 2 gemäß der Erfindung in der Regel in zwei Formungsschritten hergestellt. To manufacture the tooth 2 and a gear according to the invention, material-removing methods, in particular hobbing methods such as hobbing or hobbing, hob peeling, gear shaping or hobbing, or profile methods (shaping without hobbing motion) such as disc milling, form grinding, form milling, broaching or punching, or spatial molding processes (molding processes) without material removal (non-cutting production) such as casting, injection molding, extrusion, cold drawing, drop forging or sintering are used. In the material-removing process, the gearwheel with the teeth is produced by material removal from a raw body, while in the spatial molding process a spatial die or shape of the gearwheel is used and the material for the gearwheel is brought into this shape. In the spatial molding process, a two-component tooth 2 according to the invention is generally produced in two molding steps.
22
, .
22
' Zahn
'Tooth
33
Ausnehmung
recess
44
, .
44
' Zahnfuß
'' Tooth base
55
, .
55
' Zentralbereich
'Central area
2020
, .
2020
', '
2121
, .
2121
' Zahnflanke
'Tooth flank
2222
, .
2222
' Zahnkopf
'Tooth head
2323
, .
2424
Dämpfungsbereich
attenuation range
2525
, .
2525
', '
2626
, .
2626
' Übergangsbereich
'Transition area
2727
, .
2828
Stirnseite
front
3232
Einhüllende
envelope
3333
, .
3434
Seitenwandungsbereich
Seitenwandungsbereich
3535
Bodenbereich
floor area
4040
, .
4141
Zahnflanke
tooth flank
5050
Außenbereich
b1, b2, b, B Breite
l Länge
outdoors
b1, b2, b, B width
l length
Claims (27)
- a) einem Zahnkopf (22), und
- b) an gegenüberliegenden Seiten des Zahnkopfes sich anschließenden Zahnflanken (20, 21),
- a) der Zahnkopf stoßweicher ausgebildet ist als die Zahnflanken.
- a) a tooth head ( 22 ), and
- b) tooth flanks ( 20 , 21 ) adjoining opposite sides of the tooth head,
- a) the tooth head is designed to be smoother than the tooth flanks.
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|---|---|---|---|
| DE2001102294 DE10102294A1 (en) | 2001-01-19 | 2001-01-19 | Tooth for gear wheel has tooth head of lower impact resistance than tooth flanks |
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Publications (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8130 | Withdrawal |