DE10306935A1

DE10306935A1 - Zahnradgetriebe

Info

Publication number: DE10306935A1
Application number: DE2003106935
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Lamke; Jörg Dr. Börner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-09-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zahnradgetriebe mit mehreren in Eingriff stehenden konischen Zahnrädern, insbesondere Beveloidzahnrädern, die unter Einhaltung eines Verdrehflankenspiels zum Ausgleich von durch Temperaturschwankungen hervorgerufenen Dehnungserscheinungen miteinander gepaart sind, wobei jeweils für eines der miteinander kämmenden Zahnräder (3) eine von der Temperatur abhängige Anordnung (2) in Form eines TC-Elements zur axialen Verstellung des Verdrehflankenspiels vorgesehen ist und wobei dieses Zahnrad (3) axial verschiebbar im Getriebegehäuse (1) gelagert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnradgetriebe mit mehreren in Eingriff befindlichen konischen Zahnrädern, insbesondere Beveloidzahnrädern, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Beispiel eines derartigen Getriebes ist in der DE-C-199 07 912 beschrieben, die sich auf ein als Exzentergetriebe ausgebildetes Umlaufgetriebe bezieht, das mit einer Planetenverzahnung an einer ersten Eingriffsstelle und mit einer Planetenverzahnung an einer zweiten Eingriffsstelle versehen ist, die jeweils symmetrisch zur Planetenmittenebene angeordnet sind, die sich senkrecht zu einer Exzenterachse durch die Mitte des Planeten erstreckt. Der Planet ist dabei ringartig um die Exzenterachse und die Drehachse der Welle angeordnet. Da die kämmende Planetenverzahnung an den beiden Eingriffsstellen symmetrisch zu beiden Seiten der Planetenmittenebene ist, bewirken die auftretenden Verzahnungskräfte nur geringe Kippmomente quer zur Planeten- oder Exzenterachse.

Zur Erzielung einer Verringerung der Belastung sind die erste Eingriffsstelle und die zweite Eingriffsstelle in radialer Richtung gegenüberliegend angeordnet, wobei die radial ausgerichteten Verzahnungskräfte an den sich gegenüberliegenden Eingriffsstellen gegengleich sind. Der Planet ist zur Drehachse unter einem bestimmten Neigungswinkel gelagert, wobei die beiden mit dem Planeten kämmenden Verzahnungen konusförmig angeordnet sind und der Konuswinkel an den Neigungswinkel angepasst ist. Als Module für die Verzahnungen können verschiedene evolventische Verzahnungen und insbesondere eine Beveloidverzahnung eingesetzt werden.

Die DE-C-199 55 474 beschreibt ein Verfahren zur Einstellung des Zahnflankenspiels in einem Zahnradgetriebe, insbesondere den Ausgleichswellen von Brennkraftmaschinen.

Das Zahnflankenspiel und vor allem das Verdrehflankenspiel ist erforderlich zur Ausbildung einer hydrodynamischen Schmierung, des Ausgleichs von Maßänderungen durch Temperatureinflüsse und des Ausgleichs von Zahndeformationen durch die Beanspruchung sowie des Ausgleichs von Fertigungs- und Montagefehlern.

Das Flankenspiel wird nach dieser Veröffentlichung dadurch eingestellt, dass eine Zwischenlage bei einem der Zahnräder vor dessen Montage in Form einer die Zahnflanken bestimmter Zähne bedeckenden, am gewählten Zahnrad befestigten Auflage angeordnet wird, wonach das Zahnrad mit fixiert angeordneter Zwischenlage bei der Montage mit einer vorbestimmten Kraft mit korrespondierenden Zahnflanken eines anderen Zahnrades in spielfreien Eingriff gebracht wird, wobei die Zwischenlage nach Zahnspieleinstellung der Zahnräder durch laufbedingten Abrieb oder durch gezielte mechanische Abnahme der Auflage entfernt wird.

Hierdurch kann in einfacher Weise eine feste Zahnspieleinstellung in einem Zahnradgetriebe erzielt werden, sowie eine Zahnradpaarung eines Getriebes flankenspielorientiert justiert werden. Wird die Zwischenlage in Form eines galvanisch abgeschiedenen Festschmierstoffes auf allen Zähnen eines Zahnrades ausgebildet, die während des Einsat zes des Getriebes abgetragen wird, so kann ein erwünschtes, fest einstellbares Verdrehflankenspiel erreicht werden.

Ein weiteres Verfahren zur Erzielung eines erwünschten Zahnflankenspiels bei einem Getriebe mit mindestens zwei kämmenden Zahnrädern ist in der DE-A-100 62 241 beschrieben. Dabei werden die beiden Zahnräder zur Spieleinstellung relativ zueinander mittels einer entfernbaren Beschichtung auf mindestens einem Zahnrad eingestellt. Die Beschichtung besteht aus einem Gemisch, das ein Bindemittel und einen Füllstoff enthält. Das Gemisch, dessen Füllstoff zum Beispiel körnig oder partikelartig ist, wird auf das gesamte Zahnrad oder nur ein Zahnradsegment aufgebracht, wobei die Schichtdicke eine Funktion des zu erzielenden Spiels ist. Das Bindemittel bewirkt, dass sich eine zusammenhängende Schicht ergibt, die nach dem Abbinden oder Aushärten dem Anpressdruck bei der Einstellung des auf Grund der Beschichtung spielfreien Eingriffs der Zahnräder und der nachfolgenden Fixierung der ineinander greifenden Räder standhält.

Nachdem das Spiel eingestellt worden ist, wird auch hier die Beschichtung entfernt und zwar entweder durch mechanische Entfernung oder durch Ablösen mittels eines Lösungsmittels oder aber auch durch Abrieb während des Betriebes des Getriebes.

Insbesondere bei Getrieben für den mobilen Einsatz, zum Beispiel in Kraftfahrzeugen, treten Ungleichförmigkeiten auf der Antriebswelle auf sowie permanent wechselnde Leistungs- und Momentenanforderungen auf der Abtriebsseite. Dies führt auch bei modernen Getrieben zu Klapper- und Rasselgeräuschen, die einerseits als störend empfunden werden und andererseits die verschiedenen Bauteile des Getriebes früher verschleißen lässt. Auch das moderne Motormanagement zur Steuerung von Emission und Kraftstoffverbrauch führt zu einem ungleichförmigen Lauf des Motors, wodurch dessen Klapper- und Rasselgeräusche weiter verstärkt werden, da die einzelnen einander zugeordneten Bauteile im Getriebe im Rahmen ihres fertigungs- oder funktionsbedingten Spiels aneinander anschlagen, insbesondere die Stirnflächen von Wellen oder Zahnrädern, die an andere Bauteile oder an die Innenseite des Getriebegehäuses auflaufen.

Als Klappern üblicherweise die Geräusche bezeichnet, die im Leerlauf durch aneinanderschlagende lastlose Getriebeteile verursacht werden. Als Rasseln hingegen werden die Geräusche bezeichnet, die im Zugbetrieb oder Schubbetrieb des Getriebes von aneinanderschlagenden lastlosen Getriebeteilen hervorgerufen werden.

Zur Vermeidung dieser Klapper- und Rasselerscheinungen sowie Schwingungen von Losteilen beschreibt die DE-A-195 00 935 ein Verfahren, gemäss dem die einander zugeordneten, insbesondere lastlosen Bauteile, wie Wellen, Zahnräder oder Synchronringe durch die Magnetkraft von kodierten Magneten sowohl angezogen als auch zentriert und ausgerichtet werden. Vor allem bei verzahnten Rädern, bei denen auftretende Winkelbeschleunigungen bzw. Winkelverzögerungen zu einem axialen Versatz der das Zahnrad tragenden Welle führen, wird durch die Magnetkraft die Stirnseite des Zahnrads bzw. der Welle permanent in einer bestimmten Position zum benachbarten Bauteil gehalten. Damit wird einerseits verhindert, dass Körperschall auftritt oder übertragen wird und andererseits, dass die beiden Bauteile auf Grund von stirnseitigen Stößen schneller verschleißen. Bei schrägverzahn ten Zahnrädern verhindert jedoch die axiale Anziehung ein Verdrehflankenspiel.

Zahnradgetriebe mit Zylinderverzahnung oder Beveloidverzahnung müssen mit Verdrehflankenspielen versehen sein, die erforderlich sind, um trotz verschiedener Verzahnungsfehler, wie Teilungsfehler, Rundlauffehler, Exzentritäten, etc. ein Klemmen bzw. dynamische Anregungen unter den verschiedensten Betriebsbedingungen zu vermeiden.

Werden die Getriebe bei extremen Temperaturschwankungen eingesetzt, zum Beispiel in Flugzeugen, wobei die Temperatur beim Startvorgang 35 °C betragen kann, in Flughöhe jedoch –50 °C erreichen kann, oder in Lastkraftwagen in der Arktis oder Antarktis, so müssen die Flankenspiele relativ große Werte aufweisen um ausreichende Kaltstarteigenschaften zu erhalten. Diese Flankenspiele können nun aber bei rascher Erwärmung des Getriebes oder auch bei großen Temperaturschwankungen im Einsatzzeitraum auf Grund von thermischen Ausdehnungen der Bauteile im Getriebe noch vergrößert werden.

Wie bereits oben erwähnt, führen übermäßig große Verdrehflankenspiele zu Klappergeräuschen, Rasselerscheinungen, Klonk, etc., die dynamische Anregungen und damit einen erhöhten Anregungspegel zur Folge haben.

Auch bei Getrieben für Industrieroboter ist ein im Betrieb geringes Flankenspiel anzustreben, sodass bei Einsatz von Beveloidzahnrädern mit geringen konischen Winkeln diese miteinander derart gepaart werden, dass durch axiale Spieleinstellung während der Montage ein im Betrieb annähernd konstantes Verdrehflankenspiel erhalten wird, das jedoch später nicht mehr beeinflusst werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Zahnradgetriebe mit mehreren im Eingriff miteinander befindlichen Zahnrädern, insbesondere Beveloidzahnrädern, dahingehend auszugestalten, das während des Betriebes das Verdrehflankenspiel automatisch auf den jeweiligen optimalen Wert für die Temperatur des Getriebes oder der Umgebung eingestellt wird.

Ausgehend von einem Zahnradgetriebe der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung sieht also vor, dass für jeweils eines der miteinander kämmenden Zahnräder eine von der Temperatur abhängige Anordnung zur axialen Verstellung des Verdrehflankenspiels vorgesehen ist und dass dieses Zahnrad axial verschiebbar im Getriebegehäuse gelagert ist.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel besteht die temperaturabhängige Anordnung zur axialen Verstellung aus einem sogenannten TC-Element (TC = temperature compensating = Temperatur kompensierend).

Dieses von der Temperatur abhängige Bauteil kann vorzugsweise zwischen einer der Lagerstellen für die Welle des axial verschiebbaren Zahnrades und dem Getriebegehäuse eingesetzt sein.

Bei einem anderen möglichen Ausführungsbeispiel ist das von der Temperatur abhängige Bauteil ein Schiebesitz, der zwischen einem Zahnrad und einem auf dessen Welle angeordneten Absatz angeordnet ist.

Vorzugsweise sind die beiden Verzahnungen der Zahnräder unter einem gleichgroßen, jedoch entgegengesetzt ausgerichteten Konuswinkel angeordnet.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Anordnung zur axialen Verstellung der beiden Beveloidräder, die einen gleichgroßen, jedoch entgegengesetzt ausgerichteten Konuswinkel aufweisen, wird der Vorteil erzielt, dass in einem bestimmten Betriebszustand des Getriebes, wie zum Beispiel einem Kaltstart des damit ausgerüsteten Fahrzeuges, ein großes Verdrehflankenspiel eingestellt wird und dass in einem anderen Betriebszustand des Getriebes, zum Beispiel bei hoher Umgebungs- oder Getriebetemperatur ein geringes Verdrehflankenspiel eingestellt wird.

Gegebenenfalls können auch umgekehrte Verhältnisse als die beschrieben erhalten werden.

Auf diese Weise kann bei entsprechender Ansteuerung der Anordnung zur axialen Verstellung automatisch immer das für den aktuellen Betriebszustand zweckdienliche Verdrehflankenspiel eingestellt werden.

Die unterschiedlichen Betriebszustände sowie die thermischen Ausdehnungen der Getriebeelemente un die Auswahl der von der Temperatur abhängigen Anordnung sind durch Versuche oder Berechnungen zu ermitteln.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele dargestellt sind: Es zeigen:
1 schematisch eine erste von der Temperatur abhängige Anordnung und ihren Einbau in das Getriebe;
1a und 1b die Stellung der Beveloidzahnräder zueinan der einmal mit großem Verdrehflankenspiel und einmal mit kleinem Verdrehflankenspiel und
2 schematisch eine zweite von der Temperatur abhängige Anordnung und ihren Einbau in das Getriebe.
In den Figuren sind nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Teile dargestellt und mit Bezugszeichen versehen.
In 1 ist mit 1 das Getriebegehäuse bezeichnet, in dem (unter anderem) ein erstes auf einer Welle 6 angeordnetes Beveloidzahnrad 3 und ein zweites auf einer Welle 7 angeordnetes Beveloidzahnrad 4 angeordnet sind. Die beiden Wellen 6 und 7 sind in Lager eingesetzt, von denen eines für die Welle 6 mit 5 bezeichnet ist.
Wie ersichtlich, sind die beiden Verzahnungen 3' und 4' der beiden Beveloidzahnräder 3 und 4 mit einem gleichgroßen, jedoch entgegengesetzt ausgerichteten Konuswinkel versehen.
Während das Beveloidzahnrad 4 fest, das heißt unverrückbar im Getriebegehäuse 1 gelagert ist, ist zwischen dem Lager 5 für die Welle 6 des Beveloidzahnrades 3 und dem Getriebegehäuse 1 eine von der Temperatur abhängige Anordnung 2 eingesetzt, die die Welle 6 zusammen mit dem fest auf ihr angeordneten Beveloidzahnrad 3 in Axialrichtung verschieben kann, sodass das Verdrehflankenspiel zwischen den beiden Verzahnungen 3'und 4'einstellbar ist.
1a zeigt den Betriebszustand, bei dem ein großes Verdrehflankenspiel zwischen den Verzahnungen 3' und 4' besteht. Dieses wird eingestellt durch die Rxialverschiebung der Welle 6 und damit des Zahnrades 3 durch die Anordnung 2, die vorteilhafterweise ein sogenanntes TC-Element ist, das heißt ein die Temperatur kompensierendes Bauteil, das in einem zweiten Betriebszustand dafür sorgt, dass gemäss 1b ein kleines Verdrehflankenspiel zwischen den Verzahnungen 3' und 4' besteht. Die Verschieberichtung ist in 1a durch den Pfeil F angedeutet.
Zwischen diesen beiden Endstellungen, wie sie in
1a und 1b dargestellt sind, sind alle Zwischenstellungen der Verzahnungen 3' und 4' zueinander möglich, je nach der herrschenden Temperatur.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer von der Temperatur abhängigen Anordnung 8, die auch hier in vorteilhafter Weise ein TC-Element ist. Das Zahnrad 9, das mit einer konischen Verzahnung 9' versehen ist und mit einem weiteren, nicht dargestellten Zahnrad mit ebenfalls konischer Verzahnung gepaart ist, sitzt verschiebbar auf einer Welle 10, die mit einem Absatz 11 versehen ist. Zwischen diesem Absatz 11 und dem Zahnrad 9 ist nun gemäss der Erfindung das TC-Element 8 eingesetzt, das wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel das Zahnrad 9 als Funktion der Temperatur entlang der Welle 10 verschiebt, sodass das der Temperatur entsprechende Verdrehflankenspiel zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert stufenlos einstellbar ist.
Auch hierbei sind die beiden miteinander kämmenden Zahnräder vorzugsweise Beveloidzahnräder mit gleichgroßen, jedoch entgegengesetzt angeordneten Konuswinkeln.

1: Getriebegehäuse
2: TC-Element
3: Zahnrad
3': Verzahnung
4: Zahnrad
4': Verzahnung
5: Lager
6: Welle
7: Welle
8: TC-Element
9: Zahnrad
10: Welle
11: Absatz

Claims

Zahnradgetriebe mit mehreren in Eingriff stehenden konischen Zahnrädern, insbesondere Beveloidzahnrädern, die unter Einhaltung eines Verdrehflankenspiels zum Ausgleich von durch Temperaturschwankungen hervorgerufenen Dehnungserscheinungen der Getriebeteile miteinander gepaart sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils für eines der miteinander kämmenden Zahnräder (3, 9) eine von der Temperatur abhängige Anordnung (2, 8) zur axialen Verstellung des Verdrehflankenspiels vorgesehen ist und dass dieses Zahnrad (3, 9) axial verschiebbar im Getriebegehäuse (1) gelagert ist.
Zahnradgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Temperatur abhängige Anordnung (2, 8) zur axialen Verstellung des Verdrehflankenspiels ein TC-Element ist.
Zahnradgetriebe nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das TC-Element zwischen einer der Lagerstellen (5) für die Welle (6) des axial verschiebbaren Zahnrades (3) und dem Getriebegehäuse (1) angeordnet ist.
Zahnradgetriebe nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das TC-Element zwischen einem Absatz (11) auf der Welle (10) des axial verschiebbaren Zahnrades (9) und diesem Zahnrad angeordnet ist.