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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Getriebe,
das geeignet ist, die Übertragung
von Drehmoment und Geschwindigkeit über einen Winkel, wie in einem
Helikoptergetriebe erforderlich, bereitzustellen. Insbesondere bezieht sich
die vorliegende Erfindung auf ein winkliges Zahnradgetriebe, welches
ein evolventförmiges
Kegelritzel einsetzt, dessen Zahnoberflächen evolventförmige Helikoide
sind, gebildet von einem Grundzylinder, in Eingriff mit einem kämmenden
Zahnrad, das theoretisch von dem evolventförmigen Kegelritzel gebildet
wird, und auf ein Verfahren zum Formen besagter Zahnräder nach
dem Oberbegriff der Ansprüche
1 und 11.
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Ein
typisches Helikoptergetriebe verfügt über ein großes Gesamtuntersetzungsverhältnis (in
der Größenordnung
von 70:1), ein oder zwei winklige Wendungen von der Motorausgabe
zum Hauptrotor und vorzugsweise über
einige kraftspaltende Vorrichtungen, um die Gesamtkapazität innerhalb
der vorgegebenen Gewichts- und Umhüllungsbeschränkungen
zu steigern. Dieselben Anforderungen sind auch in anderen Anwendungen
zu finden.
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Um
die Leistung eines Helikopters zu maximieren, bedarf es einer sorgfältigen Auswahl
der Getrieberadsätze,
welche den Antriebsstrang umfassen. Die Leistung eines Getrieberadsatzes
in der Kraftübertragung
bemisst sich, unter anderem, an dem Tragbild, geprägt auf die
Zähne jedes
Elements, während
die Elemente den Eingriff durchlaufen, am Spiel der in Eingriff
stehenden Zähne
und an den Übertragungsfehlern
oder der Koppelung des Eingriffs. Die relative Bedeutung dieser
Faktoren hängt von
der Anordnung und den Anwendungsanforderungen des Helikopter- oder
eines anderen, von dem Getrieberadsatz angetriebenen, Systems ab.
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit Zahnradgetrieben, die Geschwindigkeit
und Drehmoment über
einen Winkel übertragen.
Derzeit existiert eine Vielzahl von Zahnradgetrieben, die für eine Lösung dieser
Aufgabe in Betracht kämen.
Konfigurations- und Effizienzüberlegungen
schließen
Schneckengetriebe, Spiroidgetriebe und Helicongetriebe von der Erwägung aus,
den mit Helikoptergetrieben verbundenen, Hochleistungs-Kreuzwellenanwendungen
zu entsprechen. Dies hinterlässt
eine eher begrenzte Auswahl, die im Folgenden diskutiert wird.
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Der
Spiralkegelgetrieberadsatz ist eine gebräuchliche Zahnradanordnung zum
Einsatz in Winkelzahnradgetrieben, wenn Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit
und großem
Drehmoment erwünscht
sind. Spiralkegelgetriebe erwiesen sich bei einem großen Untersetzungsverhältnis (> 5:1) in Kombination
mit einem großen
Wellenwinkel, der zu einem großen
Teilkegelwinkel (> 90°) in dem
Zahnrad führt,
als untauglich. Diese Einschränkungen
in der Nutzung von Spiralkegelgetrieben bestehen aufgrund von Erzeugungsprinzipien
und Herstellungsverfahren und haften allen Spiralkegelgetrieberadsätzen an.
Darüber
hinaus reagiert das Spiralkegelgetriebe empfindlich auf den Aufbau
des korrekten Tragbildes des Ritzels (Element mit der kleineren
Anzahl an Zähnen)
und des Zahnrads (Element mit der größeren Anzahl an Zähnen). Dies
erschwert ein Anpassen des Spiels eines Spiralkegelgetrieberadsatzes,
ohne das Tragbild zu beeinflussen.
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Folglich
wird das Erzeugen des korrekten Spiels unter Erhaltung des korrekten
Tragbildes zu einem schwierigen, sich wiederholenden Prozess.
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Ein
weiterer Getriebetyp, der in Frage kommt, sind Kronräder. Obwohl
dieser Getriebetyp schon vor Jahrzehnten entwickelt wurde, wird
er erst in jüngster
Zeit für
Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsanwendungen in Betracht gezogen.
Technologische Fortschritte in den Bereichen rechnergestützte Modellerstellung
und zerspanende Bearbeitung mit Hilfe von Computergestützter Numerischer Steuerung
(CNC) ermöglichen
das Verständnis
und die Lösung
schwieriger Probleme beim Entwurf und in der Herstellung von Kronrädern, wie
etwa eine komplexe 3D-Getriebegeometrie, Zahnkontaktanalyse, Vermeidung
von Unterschnitt, Kronradschleifen und Koordinatenmessung des Zahnprofils.
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Kronräder bieten
Konstrukteuren eine Alternative zu Spiralkegelgetrieben in winkligen
kraftübertragenden
Umgebungen mit großem
Wellenwinkel und großen
Untersetzungsverhältnissen.
Allerdings kann das Spiel von herkömmlichen Kronrädern nicht justiert
werden, ohne das Tragbild oder den gekoppelten Vorgang zwischen
dem Ritzel und dem Zahnrad nachteilig zu beeinflussen. In der Realität, wo Herstellungsfehler
und Lastverkrümmungen
unvermeidlich sind, ist es extrem schwierig, wenn nicht unmöglich, sowohl
das erwünschte
Tragbild als auch das erwünschte
Spiel während
der Montage zu erzielen. Das Beibehalten des korrekten Zahntragbildes ist
entscheidend, da die Lastkapazität
eines Einzeleingriffs stark von der richtigen Platzierung und Ausrichtung
des Tragbildes abhängt.
Ebenso ist das richtige Maß an
Spiel bei jedem Eingriff ausschlaggebend für die Drehmomentaufteilung,
da bei einem geschlossenen Regelkreis die zeitliche Abstimmung zwischen
verschiedenen Kraftbahnen signifikante Auswirkung auf den Prozentsatz
des Kraftanteils durch jede Kraftbahn hat.
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Typisch
für die
Systeme, welche Kronräder
in einem Helikoptergetriebe verwenden, ist das in
U.S. Patent Nr. 5,178,028 erteilt
an Bossler, Jr. dargestellte. Dieses Patent lehrt den Gebrauch zweier
konzentrischer, gegenläufiger
Kronräder,
wobei eines davon ein Zwischenrad, das andere ein Abtriebrad ist.
Die Zahnräder
stehen in Eingriff mit einem Antriebsritzel, das mit der Motorabtriebswelle
verbunden ist. Dieses System zieht eindeutig nicht die Nutzung eines
evolventförmigen
Kegelritzels als Eingriffsritzel mit einem kämmenden Zahnrad, theoretisch
gebildet von dem evolventförmigen
Kegelritzel, in Erwägung.
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Das
im Stand der Technik nächste
Dokument
US-A-2857774 bezieht
sich auf verbesserte Kegelgetriebe, insbesondere auf Spiralkegelgetriebe
des Typs, bei dem ein Element jeden Paares ein nicht-generiertes
Zahnrad ist, und betrifft insbesondere Zahnradpaare mit niedrigerem
Verhältnis.
Die Seitenflächen
der Zahnradzähne
sind als helikoide Oberflächen
ausgebildet, die sich den konischen Oberflächen stark annähern, welche
von den dynamischen Profilen der Schneidräder, die zum Erzeugen der Ritzelzähne eingesetzt
werden, definiert werden, dazu führend,
dass Zahnrad- und Ritzelzähne
hinsichtlich Druckwinkel auf der ganzen Länge stark korrespondieren und
somit ein schräges
Tragbild verhindern.
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In
der Bewertung verschiedener Getriebetypen, die unter Umständen den
Anforderungen entsprechen könnten,
Kraft über
einen Winkel zu übertragen,
könnten
die sogenannten evolventförmigen Kegelgetriebe
in Betracht gezogen werden. Andere Bezeichnungen für diese
Getriebetypen sind unter anderem Evolventengetriebe und Beveloidgetriebe. Ein
Vorteil dieses Getriebes ist seine Unempfindlichkeit bezüglich der
Positionierung von sowohl Ritzel- als
auch Zahnradelementen und sein justierbares Spiel, ohne den gekoppelten
Vorgang zu stören.
Um aber diesen Vorteil zu erreichen, bringen herkömmliche
evolventförmige
Kegelgetriebe bestimmte, inhärente
Nachteile mit sich, die ein solches Getriebe ungeeignet für Hochleistungsanwendungen
machen. Insbesondere muss der Konus- oder Kegelwinkel relativ klein (< 10°) sein, oder
die Zahnbreite des Getriebes wird durch Spitzwerden am großen Ende
und den Unterschnitt am kleinen Ende erheblich eingeschränkt. Darüber hinaus
sind die beiden in Eingriff stehenden konischen Getriebe immer in
konvex-konvex Punktkontakt, was eine signifikante Einschränkung der
Lasttragekapazität
mit sich bringt. Während des
Betriebs eines solchen Getrieberadsatzes verursacht die hohe relative
Krümmung
am Kontaktpunkt hohe Kontaktspannungen und führt zum Ausfall erwünschter
Schmierbedingungen. Dieses Problem wird sehr viel schwerwiegender,
wenn der Wellenwinkel im Bereich von 70° bis 110° liegt, was eine übliche Wellenwinkelanordnung
in Helikoptergetrieben darstellt.
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Es
besteht eine klare Notwendigkeit für einen Getriebetyp, der für Anwendungen
geeignet ist, die nach Anordnungen mit großem Untersetzungsverhältnis und
großem
Wellenwinkel verlangen, wobei die adäquate Kapazität zur Übertragung
einer nennenswerten Menge an Kraft geboten wird. Ein solcher Getrieberadsatz
sollte auch über
die Fähigkeit zum
Justieren des Spiels verfügen,
ohne dass das Zahntragbild und der echte gekoppelte Vorgang beeinträchtigt werden.
Wie sich zeigen wird, bietet die vorliegende Erfindung einen einzigartigen
Getriebetyp, der all diesen Erfordernissen nachkommt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen einzigartigen Getrieberadsatz
umfassend ein evolventförmiges
Kegelritzel und ein in Eingriff stehendes Kronrad. Die Positionierung
und Ausrichtung der in Eingriff stehenden Getriebeachse wird in
der Regel gemäß den charakteristischen
Helikoptergetriebeanforderungen konfiguriert, wobei die Getriebeachse
die Ritzelachse kreuzt oder leicht versetzt zu dieser ist, bei einem
Wellenwinkel von 70° bis
110°. Die
Ritzelzahnoberfläche
ist wie ein evolventförmiges
Helikoid geformt und wird aus einem Grundzylinder erzeugt. Der in
Eingriff stehende Zahnradzahn ist als eine zu dem Ritzelzahn konjugierte
Oberfläche definiert,
wobei die von dem Kegelritzel gebildete Oberfläche der gleichen relativen
Bewegung folgt wie die beiden ineinander greifenden Zahnräder, um Kraft
zu übertragen.
Anders ausgedrückt,
wird die Form der Flankenoberflächen
des Kronrades direkt von der Form der evolventförmigen Kegelritzelzähne bestimmt,
wie sie existieren, wenn die beiden Zahnradelemente relativ zu einander
angeordnet sind, um synchrone Rotationen um ihre jeweiligen Rotationsachsen
auszuführen.
Dies stellt sicher, dass die Flankenoberflächen der Zahnradzähne die
korrespondierenden Flankenoberflächen
der in Eingriff stehenden Ritzelzähne entlang einer momentanen
theoretischen Berührungslinie
zu jedem Augenblick des Eingriffszyklus kontaktieren und so während des
gesamten Eingriffszyklus einem echten gekoppelten Vorgang folgen.
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Ein
gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiertes Getriebe bietet im Vergleich zu bekannten Getrieberadsätzen zahlreiche
eindeutige Vorteile. Da das Ritzel ein evolventförmiges Kegelzahnrad mit sich
verjüngender
Zahndicke ist, bietet seine Ausrichtung ein Mittel zur Justierung
des Spiels des Getrieberadsatzes. Das evolventförmige Helikoid wird von einem
Grundzylinder erzeugt und im Ergebnis wirkt die Achsenbewegung des
Ritzels zum Zwecke der Spieljustierung nicht auf das Tragbild oder
den gekoppelten Vorgang des Getrieberadsatzes ein. Dieses Merkmal
der vorliegenden Erfindung ist weder bei Spiralkegelgetrieben noch
herkömmlichen Kronrädern verfügbar.
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Die
Getrieberadsätze
der vorliegenden Erfindung sind besonders geeignet für große Untersetzungsverhältnisse
von ca. 4:1–10:1
und für
große Wellenwinkel
von ca. 70° bis
110°. Solche
Dispositionen führen
zu einem relativ kleinen Ritzelteilkegelwinkel und einem relativ
großen
Zahnradteilkegelwinkel. Ein kleiner Ritzelteilkegelwinkel ermöglicht eine
relativ kleine Gestaltung des Kegelwinkels. Dies wiederum mindert
die Einschränkungen
des evolventförmigen
Kegelritzels bezüglich
Spitzwerden und Unterschneiden.
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Das
in Eingriff stehende Zahnrad wird, wegen der Art des Erzeugungsprozesses,
in der Zahnbreite der Zahnradzähne
etwas eingeschränkt
sein. Da jedoch die Oberfläche
des in Eingriff stehenden Zahnrads eher von dem Ritzel als von einem
anderen evolventförmigen
Kegelzahnrad erzeugt wird, unterliegt das in Eingriff stehende Zahnrad
nicht so starken Einschränkungen
bei der Zahnbreite der Zahnradzähne
wie den Einschränkungen,
die für
herkömmliche
Paare evolventförmiger
Kegelzahnräder gelten.
Dies bietet einen klaren Kraftvorteil im Vergleich zu Kegelgetrieben,
in denen beide Zahnradelemente als evolventförmige Kegelzahnräder ausgebildet
sind. Zudem überwindet
dieser Aufbau die Unfähigkeit
der Spiralkegelgetriebe, große
Untersetzungsverhältnisse
und große
Wellenwinkel bereitzustellen.
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Ein
weiterer deutlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Linienberührungsbeschaffenheit
zwischen den Ritzel- und Zahnradelementen, welche erhöhte Lastkapazität bietet,
verglichen mit dem von Kegelgetrieben erzeugten Punktkontakt. In der
Praxis werden optimale Kontaktbedingungen häufig durch ein leichtes Abändern (Kronen)
des Ritzels und/oder in Eingriff stehenden Zahnradzahns erzielt,
um Herstellungsfehler oder Verkrümmungen, die
unter Lastzuständen
entstehen, auszugleichen. Bei richtiger Kronung sollte der Getrieberadsatz
der vorliegenden Erfindung ein örtlich
begrenztes Tragbild unter leichter Last erzeugen und, unter voller Last,
ein Tragbild, das sich entwickelt, d. h. sich ausbreitet, um die
Zahnflanke abzudecken und so die Kontaktspannungen zu reduzieren
und die Lastkapazität
des Getrieberadsatzes erhöhen.
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Das
Ritzel der vorliegenden Erfindung verfügt über ein evolventförmiges Kegelzahnrad,
erzeugt mit einem abgeschrägten
Fuß und
einer abgeschrägten
Außenfläche, die
dazu beiträgt,
Gleiten am Eckpunkt zu reduzieren; wobei dieser Punkt am weitesten
entfernt von der kinematischen Teilungslinie ist, somit die Riefenbildungswahrscheinlichkeit
am Kontaktpunkt verringernd. Diese Anordnung stellt eine Verbesserung
gegenüber
herkömmlichen
Kronrädern
dar, die evolventförmige
geradverzahnte Ritzel einsetzen, bei welchen der kinematische Teilkegel
entlang der Diagonalen des Zahnradzahns läuft.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die problemlose
Montage im Vergleich zu herkömmlichen
Kronrädern
mit geradverzahnten zylindrischen Ritzeln. Dies beruht auf der sich
verjüngenden
Zahndicke und der kegelförmigen
Außenfläche des
Ritzels, was die axiale Montage des Ritzels vereinfacht, besonders
wenn dort kleines Spiel herrscht. Erwartungsgemäß kann wiederholte Demontage
und Remontage des Ritzels während
der Entwicklung eines Getriebes ohne Bewegung der in Eingriff stehenden
Kronräder
auftreten.
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Herkömmliche
Spiralkegelgetriebe, bei welchen beide Zahnradelemente komplexe
Zahnoberflächen
haben, sind wegen der besonderen Anforderungen an Maschinen und
Schneidwerkzeuge sehr aufwendig in der Herstellung. Im Vergleich
ist die vorliegende Erfindung viel einfacher herzustellen, da zumindest
das Ritzel mit vorhandenen Werkzeugen an Fräs- oder Schleifmaschinen für geradverzahnte Stirnräder oder
schrägverzahnte
Zahnräder,
die nur wenig verändert
werden müssen,
hergestellt werden kann.
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Kurzbeschreibung der beigefügten Zeichnungen
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Die
vorangehenden und anderen Gegenstände, Aspekte und Vorteile erschließen sich
besser anhand der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten
Ausführung
der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen, in welchen:
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1a eine
Querschnittsdarstellung eines herkömmlichen, dem Stand der Technik
entsprechenden Stirnritzel-Kronrades ist;
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1b eine
Querschnittsdarstellung einer Kegelritzel-Kronrad-Anordnung ist, ausgebildet
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2a eine
perspektivische Darstellung eines evolventförmigen Kegelzahnrads ausgebildet gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2b eine
perspektivische Darstellung eines evolventförmigen helikoiden Zahns gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2c eine
perspektivische Darstellung eines Ritzelzahns ist, wobei die Berührungslinien
zu sehen sind, wie sie beim Eingriff mit dem kämmenden Zahnrad gemäß der vorliegenden
Erfindung entstehen;
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3 eine
perspektivische Darstellung eines evolventförmigen Kegelritzels bei der
Herstellung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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4a eine
Endansicht einer Bearbeitungsanordnung ist, die bei der Fertigung
des in Eingriff stehenden Kronrades eingesetzt wird, gekoppelt an das
in 2b abgebildete evolventförmige Kegelritzel;
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4b eine
Seitenansicht der Bearbeitungsanordnung aus 4a ist;
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4c eine
perspektivische Darstellung eines Kronradzahnes ist, wobei die Berührungslinien gezeigt
sind;
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4d eine
perspektivische Darstellung eines Schneidwerkzeugs und Kronrades
in normalem Kontakt ist, wie er in der Fertigung des Kronrades aufträte;
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4e eine
perspektivische Darstellung eines Kronrades ist, geformt gemäß der vorliegenden Erfindung;
und
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5a und 5b eine
Draufsicht respektive Schnittdarstellung eines Zahnradgetriebes
zeigen, einschließlich
der Ritzel und der in Eingriff stehenden Kronräder, geformt gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Zwar
wird die vorliegende Erfindung hier in Bezug auf anschauliche Ausführungen
für bestimmte Anwendungen
beschrieben, doch sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung
nicht auf diese beschränkt
ist. Fachleute mit Verständnis
für die
hier aufgezeigten Lehren werden ergänzende Modifikationen, Anwendungen
und Ausführungsformen
innerhalb des Anwendungsbereiches sowie weiterer Bereiche erkennen,
in denen die Erfindung von signifikantem Nutzen wäre.
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Nun
zu den Zeichnungen und zu 1a zurückkehrend,
ist in 1a ein herkömmliches Kronradgetriebe 10a abgebildet,
das ein Ritzelzahnrad 14a und ein in Eingriff stehendes
Zahnrad 12a umfasst. Es sei angemerkt, dass sich der Zahn 16a des Zahnrades 12a und
der Eingriffszahn 18a von Ritzel 14a jeweils parallel
zu einer Ritzelachse PA erstrecken sowie parallel zueinander.
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Zum
Vergleich ist in 1b ein einzigartiges Kronradgetriebe 10 abgebildet,
geformt gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Getrieberadsatz 10 umfasst ein Ritzel 14 und
ein in Eingriff stehendes Zahnrad 12. Der Zahn 16,
ausgebildet auf dem in Eingriff stehendem Zahnrad 12, bildet
einen Getriebekegelwinkel ⌀ zu
einer Zahnradachse GA. Ebenso bildet der Zahn 18 des Ritzels 14 einen
Kegelwinkel β zur Ritzelachse
PA. Demgegenüber
wird das zum Teil in 1a abgebildete Ritzel 14a üblicherweise
als ein geradverzahntes Ritzel bezeichnet, während das Ritzel 14 in 1b als
ein konisches oder Kegelritzel bezeichnet wird.
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Ein
Ritzelzahnrad 14 geformt gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in 2a dargestellt. Das Ritzel 14 verfügt über eine
Ritzelzahnoberfläche 18,
die ein evolventförmiges
Helikoid festlegt, wie in 2b gezeigt.
Der Ritzelzahn 18 verfügt über ein
großes Ende 26 und
ein gegenüber
ausgestelltes kleines Ende 28. Der Zahn 18 weist
einen abgeschrägten Außenkonus 30 und
einen Kegelfuß 32 auf.
Eine evolventförmige
helikoide Oberfläche 34 verbindet den
Außenkonus 30 mit
dem Fuß 32.
Schließlich
verfügt
das kleine Ende 28 über
eine konkav gewölbte oder
flache Frontoberfläche 36.
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Das
Ritzel 14 ist ein evolventförmiges Kegelzahnrad mit einer
sich verjüngenden
Zahndicke. Diese Konfiguration bietet ein Mittel zum Justieren des Spiels
im Getrieberadsatz 10, ohne das Tragbild oder den gekoppelten
Vorgang des Getrieberadsatzes zu beeinflussen. Das evolventförmige Kegelritzel 14 ist besonders
für große Untersetzungsverhältnisse (4:1–10:1) geeignet,
wobei der Kegelwinkel β in
diesen Fällen
klein gehalten werden kann. Zwar ist der Kegelwinkel ⌀ an dem
in Eingriff stehenden Zahnrad 12 relativ groß, doch
reduziert die Tatsache, dass das in Eingriff stehende Zahnrad 12 von
dem Ritzel 14 gebildet wird anstatt von einem weiteren
evolventförmigen
Kegelzahnrad, wesentlich die Einschränkungen hinsichtlich der Zahnbreite,
die andernfalls bestünden,
wenn das in Eingriff stehende Zahnrad 12 ein evolventförmiges Kegelzahnrad ähnlich dem
Ritzel 14 wäre.
Dies bietet einen signifikanten Vorteil gegenüber herkömmlichen Kegelgetrieben, in
welchen sowohl das Ritzel als auch das in Eingriff stehende Zahnrad üblicherweise
als evolventförmige
Kegelritzel ausgebildet sind.
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Zur
Erläuterung
sei ein konisches Kronradgetriebe vorausgesetzt, in dem die Anzahl
der Zähne auf
dem Ritzel N
p ist, die Anzahl der Zähne auf
dem Zahnrad N
g ist, ω
p die
Winkelgeschwindigkeit des Ritzels und ω
g die
Winkelgeschwindigkeit des Zahnrads ist, wobei sich ein Untersetzungsverhältnis ergibt von:
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Das
Ritzel kann durch Wälzfräsen oder
wälzende
Schleifverfahren unter Verwendung eines Schneid-/Schleifwerkzeugs
in synchroner Rotation mit einem Ritzelformstück, auf dem die Zähne zu bilden
sind, hergestellt werden. Der Verfahren kann an einer herkömmlichen
Wälzfräsmaschine
für geradverzahnte
Stirnräder
und schrägverzahnte
Zahnräder
oder einer Gewindeschleifscheibe ausgeführt werden, die über eine
zusätzliche
Einrichtung zum Führen
des Werkzeugs entlang der Zahnbreite der Ritzelzähne in der Richtung verfügt, die
einen Winkel β zu
der Achse des Ritzels bildet, wie in
3 dargestellt.
Dieser Winkel β ist
ein Konstruktionsparameter des Getrieberadsatzes
10. Wälzfräs- und Gewindescheibenschleifverfahren
weisen das gleiche Prinzip der Zahnraderzeugung auf, produzieren
jedoch normalerweise infolge der Unterschiede in den Verfahren der
Materialabtragung Zahnräder
von unterschiedlicher Qualität.
Für Luftfahrtanwendungen
wie den Einsatz in einem Helikoptergetriebe, beinhaltet der bevorzugte
Vorgang zunächst
den Rohschnitt eines Ritzelformstücks mittels Wälzfräsen, um
die Zähne
zu formen. Danach werden die Zähne
unter Einsatz des Schleifvorgangs zu einem hohen Genauigkeitsgrad
endbearbeitet. In der gewöhnlichen
Bearbeitungspraxis beginnt das Schneidwerkzeug
38 an dem
kleinen Ende
28 des evolventförmigen Kegelritzels
14,
wie in
3 abgebildet, und führt die Zustellbewegung entlang
des Winkels β bezüglich der Zahnradachse
A-A aus, bis es schließlich
das große Ende
26 des
Ritzelgetriebes erreicht. Dies schließt den Zahnherstellungsprozess
für das
Ritzel
14 ab. Während
des Formgebungsvorgangs führen
das Schneidwerkzeug
38 und das Ritzelformstück
14 synchrone
Rotationen mit dem folgenden konstanten Verhältnis aus:
wobei N
t die
Anzahl der Gewinde auf dem Schneidwerkzeug
38 ist, d. h.
entweder ein Wälzfräser oder eine
Gewindeschleifscheibe, und wobei ω
t die
Winkelgeschwindigkeit des Schneidwerkzeuges
38 ist.
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4a und 4b zeigen
das bevorzugte Verfahren, ein in Eingriff stehendes Zahnrad 12 herzustellen,
das zu dem evolventförmigen
Kegelritzel 14, geformt gemäß der vorliegenden Erfindung,
konjugiert ist. Das Achsenprofil des Schneidwerkzeugs 39,
entweder ein Walzfräser
oder eine Schleifscheibe, ist entsprechend dem Zahnprofil des Kegelritzels an
dessen kleinem Ende 28 ausgebildet. Das Achsenprofil des
Schneidwerkzeugs 39 kann in Form entweder einer Seite 41a des
Zahnprofils des Ritzels 14, wie in 4g abgebildet, geformt
sein, oder es kann, wie in 4f, beide
Seiten 41b des Ritzelzahns ausmachen. Welcher dieser beiden
Schneidwerkzeugentwürfe 41a oder 41b eingesetzt
wird, hängt
von den Besonderheiten der Maschine ab, an der das Schneidverfahren
der vorliegenden Erfindung implementiert wird. So kann zum Beispiel,
wenn die Schneidmaschine solcher Art ist, dass das Schneidwerkzeug 39 gewendet
werden soll, Profil 41a eingesetzt werden. Wenn jedoch
das Werkzeug 39 nicht gewendet werden kann, sichert das
Profil 41b das Formen beider Flanken des Zahnradzahns. Der
jeweilige Typ des Schneidwerkzeugprofils ist nicht entscheidend
zur Erläuterung
der Formung des Kronrades, da jedes Werkzeug dem Kronradzahn jeweils
eine Flanke nach der anderen beibringt. Der Durchmesser des Schneidwerkzeugs 39 ist
nach praktischen Gesichtspunkten ausgelegt und an sich kein Bestandteil
der vorliegenden Erfindung.
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Wie
in 4a gezeigt, wird das Kronrad 12 auf einem
Drehtisch 37 angebracht. Der Drehtisch 37 führt eine
kontinuierliche, gesteuerte Drehbewegung aus, um die erforderlichen
Berührungsbedingungen zwischen
dem Zahnrad 12 und dem Schneidwerkzeug 39 bereitzustellen,
wenn sich das Schneidwerkzeug 39 bewegt und jede Zahnlücke entlang
der Zahnbreite des in Eingriff stehenden Zahnrades 12 schneidet.
Nachdem eine Zahnlücke
fertig ist, schaltet der Drehtisch 37 das Zahnrad 12 an
die nächste Zahnlücke und
der Schneidprozess des Werkzeugs 39 wird wiederholt.
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Während sich
das Schneidwerkzeug 39 entlang jedem Zahn 16,
geformt auf dem in Eingriff stehenden Zahnrad 12, bewegt,
wird die Position und die Ausrichtung sowohl des Schneidwerkzeugs 39 als
auch des Zahnrades 12 gesteuert, so dass die normale Kontaktfluchtung
zwischen dem Schneidwerkzeug 39 und der theoretischen Zahnoberfläche 16 des
Zahnrades 12, wie in 4d abgebildet,
beibehalten wird. Diese normale Kontaktposition leitet sich aus
dem gekoppelten Vorgang und der Eingriffsbedingung zwischen Ritzel 14 und
dem in Eingriff stehenden Zahnrad 12 ab. Die Anwendung
der bekannten Getriebelehre auf den Eingriffsvorgang führt zur Erzeugung
einer Berührungslinie
(einer 3D Kurve) zwischen dem Ritzelzahn 18 und dem in
Eingriff stehenden Zahnradzahn 16 zu jedem Augenblick des Eingriffszyklus.
Solche Berührungslinien
sind in 2c und 4c dargestellt.
Dies bedeutet, dass die vollständige
aktive Flanke sowohl des Ritzelzahns 18 wie auch des in
Eingriff stehenden Kronradzahns 16 mit einem imaginären Bild
von Berührungslinien 40 bedeckt
ist, die jeweils einem anderen Rotationsmoment oder -winkel des
Eingriffszyklus zwischen Zahnrad 12 und Ritzel 14 entsprechen.
Daraus folgt, dass jeweils eine festgelegte Berührungslinie auf dem Zahnradzahn
und dem dazugehörigen
Ritzelzahn existiert, um einen bestimmten vorgegebenen Rotationswinkel
des in Eingriff stehenden Zahnrades 12 zu bearbeiten. Während sich
das Schneidwerkzeug 39 entlang der in Eingriff stehenden
Zahnlücke
im vorgegebenen Rotationswinkel des in Eingriff stehenden Zahnrades 12 bewegt,
werden die Position und Ausrichtung des Schneidwerkzeugs 39 solcherart
gesteuert, dass folgende Betriebsbedingungen eingehalten werden:
(1) das Schneidwerkzeug 39 befindet sich in momentanem
Punktkontakt mit dem in Eingriff stehenden Kronrad 12 an
einem Punkt der bestimmten Berührungslinie.
Diese Bedingung setzt voraus, dass eine normale Koinzidenz von sowohl
Position als auch Oberfläche
des Kronrades 12 und des Schneidwerkzeugs 39 an
ihrem Kontaktpunkt gegeben sind; (2) zu jedem Augenblick beabstandet
der Kontaktpunkt auf dem Schneidwerkzeug 39 den äußeren Durchmesser
des Schneidwerkzeugs 39 um eine radiale Entfernung gleich
der Entfernung des entsprechenden theoretischen Kontaktpunktes auf
dem in Eingriff stehenden Ritzel 14 zu dem äußeren Durchmesser
des Ritzels 14; und (3) während sich das Schneidwerkzeug 39 entlang
der Zahnbreite des in Eingriff stehenden Zahnrades 12 bewegt,
bewegt sich der Kontaktpunkt zwischen dem Zahnrad und dem Schneidwerkzeug 39 entlang
der Berührungslinie
des Kronrades 12, entsprechend der aktuellen Winkelposition
des Kronrades 12.
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Bezug
nehmend auf 4d ist eine typische Positionierung
eines Schneidwerkzeugs 39 im Eingriff mit Zahnrad 12 dargestellt,
welche die oben genannten Bedingungen (1)–(3) erfüllt, die während des Bearbeitungsprozesses
von Zahnrad 12 bestehen. Besonders beim Erzeugen eines
Zahnrades 12 gemäß der vorliegenden
Erfindung gelten die Berührungsbedingungen
fortlaufend für
jede theoretische Berührungslinie 40 auf
dem Zahnradzahn 16, wobei vorzugsweise bei der Berührungslinie 40a nahe
der oberen Fläche
des Zahnradzahns 16 begonnen und mit der Berührungslinie 40b nahe
dem Fuß des Zahns 16 abgeschlossen
wird, wie in 4c und 4d gezeigt.
Die Anzahl der theoretischen Berührungslinien 40,
welche während
des Bearbeitungsprozesses über
die Flanke des Zahnradzahns 16 verlaufen, hängt von
Genauigkeitsanforderungen ab. Für
die meisten Anwendungen gilt eine Anzahl von 20–40 solcher theoretischer Berührungslinien 40,
die jeweils über
die Flanke des Zahns 16 verlaufen, als adäquat. Beim
Formen eines Zahnrades 12 gemäß der vorliegenden Erfindung,
vollendet das Herstellungsverfahren jeweils eine Flanke eines Zahnradzahns 16.
Die gleiche Flanke aller Zahnradzähne 16 wird nacheinander
von dem Drehtisch 37 hergestellt, bis jeder Zahnradzahn 16 des
Zahnrades 12 nacheinander mit dem Schneidwerkzeug 39 ausgerichtet
ist und der Schneidprozess wiederholt wird. Es sei angemerkt, dass
der Drehtisch 37 und das Schneidwerkzeug 39 sich
gemeinsam bewegen können, wenn
das Schneidwerkzeug 39 das Zahnrad 12 durchquert.
Der Prozess steuert die relative Bewegung, um sicherzustellen, dass
das Werkzeug 39 jeder theoretischen Berührungslinie 40 folgt.
Nachdem der systematische Schneidprozess für die gleiche Flanke jedes
Zahns 16 beendet ist, wird ein ähnlicher Schneidvorgang für die gegenüberliegende
Flanke jedes Zahns 16 durchgeführt, jeweils ein Zahn nach dem
anderen, bis alle Zähne 16 des
Zahnrades 12 geformt sind.
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Um
das oben erläuterte
Verfahren zum Schneiden des Zahnrades
12 auszuführen, kann eine
multi-axiale (5 oder 6 Achsen) CNC-Maschine eingesetzt werden, die eine
kontinuierlich steuerbare Bewegung für das Schneidwerkzeug
39 und
das Zahnrad
12 bereitstellt. Mehrere bekannte Maschinen
stehen in der Getriebebauindustrie zur Verfügung und die Details solcher
Maschinen an sich sind nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung.
Typisch für
bekannte CNC-Maschinen ist die in
U.S.
Patent Nr. 5,116,173 , veröffentlicht am 26. Mai 1992
von Robert N. Goldrich, beschriebene Vorrichtung, wobei diese Offenbarung
durch ausdrückliche
Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung inkorporiert wird. Es soll
betont werden, dass
4a und
4b der vorliegenden
Anwendung lediglich dazu dienen, die relative Anordnung von Schneidwerkzeug
39 und Zahnrad
12 zu
zeigen. Die eigentliche Montageanordnung eines Zahnrades
12 und
Schneidwerkzeugs
39 kann, abhängig von der Konstruktion der
speziellen eingesetzten CNC-Maschine, variieren.
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Die
vorliegende Erfindung kann für
Hochgeschwindigkeits- Zahnradgetriebeanwendungen
mit hohem Drehmoment genutzt werden, die ein großes Untersetzungsverhältnis und
einen großen
Wellenwinkel aufweisen. Von besonderem Nutzen ist die Fähigkeit
zum Justieren des Spiels beim Einsatz in Drehmoment verteilenden
Konstruktionen, bei welchen die Aufrechterhaltung des richtigen
Maßes
an Spiel bei jedem Eingriff in verschiedenen Kraftflusswegen entscheidend
ist. 5a und 5b zeigen eine
Getriebeanordnung 50, in der die Kraft von zwei Antriebswellen über einen
Winkel mit herabgesetzter Geschwindigkeit und erhöhtem Drehmoment
an eine Abtriebswelle der Getriebeanordnung übertragen wird. Eine solche
Anordnung ist als Beispiel vorgesehen und ist nicht gedacht, die
vorliegende Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken. Gleichermaßen dienen
das Untersetzungsverhältnis
und die Winkelbeziehungen der verschiedenen Wellen ausschließlich der
Erläuterung
und sind nicht dazu bestimmt, den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung
einzuschränken.
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Die
Getriebeanordnung 50 umfasst insgesamt vier Ritzel 52, 54, 56 und 58 und
zwei Kronräder 60 und 62,
beinhaltend das untere Kronrad 60 und obere Kronrad 62,
die acht separate Eingriffe bilden. Bei jedem Eingriff kann das
Untersetzungsverhältnis mit
etwa 8:1 konstruiert sein. Der Wellenwinkel kann 78° bei dem
oberen Kronrad 62 und 102° bei dem unteren Kronrad 60 betragen.
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Die
Antriebsleistung wird von den beiden Antriebsritzeln 52 und 54 beansprucht,
so dass die Kraft zwischen dem oberen Abtriebsrad 62 und
dem unteren Zwischenrad 60 aufgeteilt wird, das in konzentrischer
Beziehung zu dem oberen Zahnrad 62 steht. Die von dem unteren
Zahnrad 60 beanspruchte Kraft wird über die beiden Zwischenritzel 56 und 58 zu dem
oberen Abtriebsrad 62 übertragen, welches
die Kraft von allen vier Ritzeln 52, 54, 56 und 58 vereint und
die Kraft einer Abtriebswelle 64 zustellt. Mit dieser Getriebeanordnung 50 trifft
auf jeden Zahnradeingriff in idealer Weise nur die Hälfte der
Last von einer der beiden Antriebswellen 66 und 68 oder ¼ der Gesamtleistung.
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Diese
Anordnung ermöglicht
eine erheblich gesteigerte Kapazität der Kraftübertragung für ein vorgegebenes
Volumen und festgelegte Umhüllungsbeschränkungen.
Eine solche Drehmomentverteilungskombination in der Getriebeanordnung
arbeitet im Wesentlichen als geschlossener Getriebeantriebskreislauf,
in dem der in jeder Lastbahn verteilte Kraft-Prozentsatz von der
Winkeljustierung der Zahnradelemente in jeder Bahn abhängt und
die relative Winkeljustierung der Kraftbahnen von dem Spiel an allen
Eingriffen jeder Bahn zusammen beeinflusst wird. Auch die Kraftverteilung
unter allen Eingriffen kann nur erreicht werden, wenn zwei Bedingungen erfüllt werden:
(1) die beiden Antriebsritzel sind solcher Art in fliegend gelagerten
Wellen montiert, dass sie unter tatsächlichen Lastzuständen eine
Gleichgewichtslage annehmen können,
bei welcher das gleiche Drehmoment zu dem oberen und unteren Eingriff übertragen
wird; und (2) das Spiel ist bei jedem Eingriff richtig eingestellt.
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Das
Spiel hat zweifache Effekte: (i) das relative Spiel zwischen dem
Antriebsritzel und dem Zwischenritzel bestimmt, wie sehr das Antriebsritzel
fliegen oder sich selbst neu positionieren muss, um eine Gleichgewichtslage
unter Lastzustand zu erreichen, wenn die Last verteilt ist; und
(ii) das relative Spiel zwischen den zwei Zwischenritzeln bestimmt
den Prozentsatz der Last, der über
jedes Zwischenritzel übertragen
und an das obere Zahnrad 62 und die Abtriebswelle 64 abgegeben
wird. Wenn die Spielmaße nicht
korrekt bestimmt werden und die richtige Justierung erfolgt, kann
das Antriebsritzel auf der Suche nach einer Gleichgewichtslage durch
das Aufnehmen allen Spiels in einem Eingriff in die Störungslage geraten,
so daran gehindert, das gleiche Maß an Drehmoment an die oberen
und unteren Eingriffe zu liefern. Es ist erstrebenswert, das Spiel
aller vier Ritzel 52, 54, 56 und 58,
ob Antrieb- oder Zwischenritzel, individuell zu justieren, um Herstellungsfehler und
Lastverkrümmungen
aufzufangen, damit der Getriebeantrieb 50 richtig arbeitet.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen einzigartigen Getrieberadsatz
bereit, in welchem die Zahnoberfläche 16 des in Eingriff
stehenden Zahnrades 12 zu der evolventförmigen helikoiden Zahnoberfläche 18 des
Ritzels 14 konjugiert ist. Der Zahnradzahn 16 wird,
echtem gekoppeltem Vorgang folgend, theoretisch von Ritzel 14 generiert.
Wenn das kämmende
Zahnrad 12 mit dem Ritzel 14 in Eingriff steht, wird
Linienkontakt hergestellt, welcher der konjugierten Bewegung des
Getriebes folgt. Die vorliegende Erfindung verfügt über die einzigartige Fähigkeit,
ein justierbares Spiel über
die axiale Positionierung des Ritzels 14 bereitzustellen,
ohne dass die Kontakteigenschaften des Getrieberadsatzes beeinflusst
werden oder der gekoppelte Vorgang gestört wird. Eine solche Justierung
wird das Tragbild, den Linienkontaktzustand oder den echten gekoppelten
Vorgang des Zahnradeingriffs nicht verändern.
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Auch
wenn hier bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben wurden, sollte
als offensichtlich vorausgesetzt werden, dass viele Variationen
und/oder Modifikationen der hier gelehrten grundsätzlichen erfindungsgemäßen Konzepte,
welche sich Fachleuten ergeben können,
unter den Geist und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen,
wie in den angefügten
Ansprüchen
und ihren Äquivalenten
definiert.
