DE102007009779C5

DE102007009779C5 - Drehverbindung zwischen Welle und Ritzel und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102007009779C5
Application number: DE102007009779.6A
Authority: DE
Inventors: Heiko Frank; Klaus Bauer; Karl-Georg Melber; Michael Engelbreit
Original assignee: Wittenstein SE
Current assignee: Wittenstein SE
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2025-10-16
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: WO2008104316A3; DE102007009779A1; DE102007009779B4; WO2008104316A2

Abstract

Drehverbindung zwischen einer Abtriebswelle eines Planetengetriebes und einem Zahnrad, wobei die Abtriebswelle (2; 15; 16) mit dem Zahnrad (3; 3.1) jeweils stirnseitig unter Bildung einer gemeinsamen Schnittstelle (2/3; 11/13; 12/14) unmittelbar stoffschlüssig (6) miteinander verbunden ist, so dass ein optimaler Rundlauf des Abtriebselementes (3; 3.1) unabhängig von der Genauigkeit des Planetengetriebes erreicht wird, wobei die stirnseitig stoffschlüssige Verbindung (6) zwischen der Abtriebswelle (2; 15; 16) und dem Zahnrad (3; 3.1) mittels eines Schmelzschweißverfahrens erfolgt ist, und wobei die gemeinsame Schnittstelle (2/3; 11/13; 12/14) für die stirnseitige stoffschlüssige Verbindung (6) zwischen der Abtriebswelle (2; 15; 16) und dem Zahnrad (3; 3.1) als Kreisringfläche (11 - 14) ausgebildet ist, wobei die Kreisringfläche (11 - 14) der Abtriebswelle (2; 15; 16) und des Zahnrads (3; 3.1) annähernd gleiche Durchmesser aufweisen, wobei das Zahnrad (3; 3.1) stirnseitig auf der Abtriebswelle (2; 15; 16) zentriert angeordnet ist, wobei die Abtriebswelle (2; 15; 16) mit mindestens einem Aufnahme- bzw. Vorzentrierwellenabschnitt (17) ggf. -stumpf (4; 19) versehen ist und das Zahnrad (3; 3.1) eine hierzu korrespondierende Bohrung (5; 20) bzw. Ausnehmung aufweist, wobei der Aufnahme- bzw. Vorzentrierwellenabschnitt (17) bzw. -stumpf (4; 19) zum Justieren des Zahnrads (3; 3.1) kein Passmaß aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehverbindung zwischen einer Abtriebswelle von einem Planetengetriebe und einem Ritzel.
Bei einer bekannten Drehverbindung wird z. B. nach der DE 100 32 061 A1 das Zahnrad flanschartig an die An- oder Abtriebswelle eines Getriebes montiert, d.h., über den Umfang verteilte, das Zahnrad axial durchdringende Schrauben an einen Wellenflansch angeschraubt. Bei einer derartigen Befestigungs- bzw. Verbindungsart wird das Zahnrad oder Ritzel nicht formschlüssig sondern durch Reibschluss montiert, und zwar durch ein Anziehen der das Zahnrad axial durchdringenden Schrauben.
Auch ist es aus derselben Druckschrift bekannt, anstelle oder zusätzlich zu einem Reibschluss an den Berührungsflächen zwischen Stirnseite des Zahnrades und dem angrenzenden Flansch der An- oder Abtriebswelle eine Verklebung vorzusehen, wobei natürlich vor dem Erreichen des festen Verklebungszustandes ein Justieren des Zahnrades möglich sein muss.
Eine derartige Schraubenverbindung wird jedoch nicht allen Getriebeleistungen gerecht. So ist sie beispielsweise abhängig von den Durchmessern der Ritzel, d. h. z. B. bei Ritzeln mit relativ kleinen Durchmesern muss mit Zwischenflanschen gearbeitet werden, was wiederum zu einem Verlust an Steifigkeit und Lebensdauer führt, da ein größerer Abstand zum An- oder Abtriebswellen-Lager vorliegt. Die bisherigen Verbindungsschnittstellen sind daher auch nur für beschränkte Modulbereiche und Durchmesser einsetzbar.
Ferner sind so genannte Evolventenverbindungen bekannt, bei denen ein Ritzel mit einer geraden Innenverzahnung auf einen Abtriebswellenstumpf mit entsprechender Außenverzahnung gesteckt wird. Schließlich ist auch als Mitnahmeglied bei einer Drehverbindung die Verwendung einer so genannten Passfeder bekannt.
Ausgehend von dem aufgezeigten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Drehverbindung zu schaffen, die eine hohe Getriebe-System-Steifigkeit besitzt und mit der gleichzeitig die Zahl an Bauteilen gegenüber herkömmlichen Drehverbindungen verringert werden kann. Ferner soll eine Verfahren aufgezeigt werden, wie diese Verbesserung in einfacher Weise erhalten werden kann.
Aus der DD 150 709 B3 ist es bekannt, ein Zahnrad umfangsseitig auf eine Welle anzuschweißen. Aus der DE 196 80 288 T1 und der EP 1 359 297 A1 sind Turbinenlaufräder-Wellen-Kombinationen bekannt, bei welchen Turbinenlaufräder angeschweißt sind. Die WO 02 / 037 647 A1 offenbart eine Welle, an welcher ein Zahnrad angeschweißt ist. Die JP H05 - 329 715 A zeigt eine mit Zähnen versehene Hohlwelle. Die WO 2004 / 087 365 A1 betrifft eine Verbindung einer Welle mit einem Zahnrad durch Schweißen auf einer Umfangsfläche.
Zur Lösung der Aufgabe führt der Gegenstand des Anspruchs 1.
Wesentlich ist hierbei, dass durch den Wegfall mechanischer Klemmverbindungselemente sich die Baugröße der Ritzelverbindung, d. h. der Abstand zwischen dem Ritzel und dem Abtriebswellen-Lager des Getriebes auf ein Minimum reduziert. Gleichzeitig verringert sich dadurch die Masse des Abtriebselementes, insbesondere des Ritzels und somit dessen daraus resultierendes Massen-Trägheitsmoment, was eine höhere Dynamik des Getriebesystems zulässt. Das Abtriebselement, insbesondere das Ritzel kann mit weniger Zähnen ausgeführt werden, so dass auch Einfluss auf einen veränderten Durchmesser genommen werden kann. Zudem können sehr aufwendige Flanschanschlüsse entfallen. Hierdurch wird ebenfalls eine Gewichtsreduktion gewährleistet.
Durch eine optimale Auslegung derartiger Getriebe bezüglich der Vorschubgeschwindigkeit und der Steifigkeit und durch die dadurch erhaltene höhere Belastbarkeit ist es möglich, kleinere Ritzelgrößen zu verwenden. Da insbesondere kleinere Ritzel verwendet werden können, können diese anders ausgelegt werden.
Aus der Funktion der so genannten linearen Getriebesteifigkeit „Clin“ am Beispiel eines Zahnstangengetriebes wird der Einfluss des Durchmessers „d“ des Ritzels mehr als deutlich: $C_{lin} = C_{t} \times \frac{43200}{π \times d^{2}}$
Nach Maßgabe der Erfindung erfolgt die stirnseitige stoffschlüssige Verbindung zwischen Abtriebswelle und Ritzel mittels eines Schmelzschweißverfahrens, wobei sich hierbei die Strahlschweißtechnik, wie bspw. Elektronenstrahlschweißtechnik, Laserstrahlschweißtechnik, etc. besonders bewährt hat. Durch die damit erhaltene einheitliche Schnittstelle ist vorteilhaft eine Reduzierung der Anzahl der Bauteile und der Kosten möglich und somit kann den Kundenforderungen (Dynamik, Baugrößen, Qualität) Rechnung getragen werden, was zusätzlich auch die Mehrfachverwendung von gleichartigen Ritzeln über alle Baureihen hinweg ermöglicht.
Eine derartige durch die Strahlschweißtechnik, insbesondere Elektronenstrahlschweißtechnik erreichte stoffschlüssige Verbindung bietet eine erhöhte Überlastsicherheit im Vergleich zu einer herkömmlichen kraftschlüssigen Verbindung, welche im Falle einer normalen Überlast nachgibt, was dann zu einem Überlast-Unrundlauf führen kann; durch die höhere Steifigkeit der erfindungsgemäßen Drehverbindung wird dies vermieden.
Ferner ist es auch möglich, als Schmelzschweißverfahren die Laserstrahltechnik einzusetzen, jedoch ist bei gleichen Schweißrandbedingungen eine ca. doppelt so hohe Laserschweißleistung im Vergleich zum Elektronenschweißverfahren erforderlich. Auch mit dem so genannten Reibschweißen ist eine Ritzel- Wellen-Verbindung möglich.
Bezüglich der Schweißgeometrie kann es aus Platzgründen zweckmäßig sein, jeweils den stirnseitigen stoffschlüssigen Verbindungsquerschnitt der Abtriebswelle und den des Ritzels mit einem gleichen Durchmesser auszubilden, denn durch das mögliche Tiefschweißen beim EB-Schweißverfahren (Elektro Beam) kann mühelos ein Verhältnis von Schweißnahttiefe zu Schweißnahtbreite von bis zu 1:40 erreicht werden. Hierbei wird die Ausprägung der Tiefschweißkapillare mit zunehmender Schweißnahttiefe durch den relativ geringen Durchmesser des Elektronenstrahls im Fokus (0,1 bis 0,2 mm) im Vergleich zum Laserstrahl (0,3 mm) verbessert. Ferner wird dies durch die gute Strahlkaustik (geringer Öffnungswinkel) des Elektronenstrahls unterstützt.
Das extrem verzugsarme EB-Schweißen, das ohne Zusatzstoffe auskommt, resultiert aus der minimalen Erwärmung der Bauteile, denn das Schweißen bzw. die stoffschlüssige Verbindung erfolgt durch eine extrem hohe Energiedichte des EB-Strahls.
Um nun durch eine derartige nicht lösbare Schweißverbindung sicher zu stellen, dass auch eine ausreichende Rundlaufgenauigkeit der Ritzel -Wellen-Verbindung gegeben ist, ist es zweckmäßig, das Ritzel stirnseitig auf der Abtriebswelle des Getriebes vor dem eigentlichen Schweißvorgang zentriert anzuordnen, wobei hierfür an der Abtriebswelle ein Aufnahme- bzw. Vorzentrierwellenstumpf vorgesehen sein kann, der dann in die Ritzelbohrung hineinragt.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Rundlaufgenauigkeit durch eine spezielle Vorrichtung erhalten wird, indem mit dieser vor dem eigentlichen Schweißvorgang die Ritzel-Lageposition vorjustiert wird. Hierzu weist der Aufnahme- bzw. Vorzentrierwellenstumpf zum Justieren des Ritzels kein Passmaß auf , d. h., dass das Ritzel durch das dadurch vorhandene geringe Spiel besser einjustiert werden kann.
Zur Reduzierung von Typenvielfalt und somit auch Lagerhaltung von Ritzeln ist es vorteilhaft, die beiden Stirnseiten der Ritzel mit Kreisflächen auszustatten, die unterschiedliche Durchmesser besitzen, sodass diese wahlweise als Schnittstelle für eine stoffschlüssige Verbindung mit einer Abtriebswelle herangezogen werden können. Hierbei ist es zweckmäßig, dass die jeweiligen Kreisflächen der Ritzel eine Bohrung bzw. Ausnehmung zur Aufnahme eines Vorzentrierwellenstumpfs oder -abschnittes haben, mit dem die Abtriebswellen jeweils ausgestattet sind. Derart ausgebildete Ritzel liegen dann in ihrer Vielfalt nur noch mit unterschiedlichen Kopfkreisdurchmesser vor, und zwar abhängig von der jeweiligen Zähnezahl und/oder der Module,
Typische Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Drehverbindung bestehen nun darin, dass die Stirnfläche der Abtriebswelle und die des Ritzels stoffschlüssig vorzugsweise mit Hilfe des Elektronenschweißverfahrens miteinander verbunden werden. Doch bevor dieser Schweißvorgang durchgeführt wird, werden die zu verbindenden Teile, d. h. das Ritzel mit seiner Stirnfläche an die Stirnfläche der Abtriebswelle und Druck aneinander gefügt und dabei gleichzeitig justiert, um später eine höchst mögliche Rundlaufgenauigkeit zu erhalten. Hierbei kann die Justierung bezüglich des Rundlaufs entweder über den Kopfkreisdurchmesser oder eine Flankenzentrierung des Ritzels erfolgen, wobei auch eine korrigierende Einstellung über die Ritzelmantelfläche zur Beseitigung eines 3- dimensionalen Rundlauffehlers möglich ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigt:

1 eine Seitenansicht eines Planetengetriebes mit an dessen Abtriebswelle angeschweißtem Ritzel im Schnitt sowie einen Ausschnitt aus dem Bereich einer Schweißnaht als Detail „A“,
2 ein Schliffbild der Schweißnaht gemäß dem Detail in 1 und
3 einen Längsschnitt durch ein Ritzel mit zwei unterschiedlichen Möglichkeiten einer Drehverbindung mit einem Abtriebswellenabschnitt.

In 1 ist ein Planetengetriebe 1 gezeigt, welches eine Abtriebswelle 2 besitzt, an deren Stirnseite ein Abtriebselement 3, insbesondere Ritzel ebenfalls mit seiner Stirnseite mit Hilfe eines Strahlschweißverfahrens, insbesondere Elektronenstrahlschweißverfahren angeschweißt ist. Ein Laserschweißen ist in diesem Fall ebenfalls möglich. Das freie Ende der Abtriebswelle 2 ist als Aufnahme- bzw. Vorzentrierwellenstumpf 4 ausgebildet, auf den das Abtriebselement 3, insbesondere das Ritzel mit seiner zentralen Bohrung 5 aufgesteckt ist.
In dem Ausschnitt als Detail „A“ ist die mit 6 bezeichnete Schweißnaht vergrößert dargestellt, welche mit ihrer Wurzel 7 noch in den Aufnahme- bzw. Vorzentrierwellenstumpf 4 ragt und damit im Bereich der stirnseitigen Ritzel-Schweißnaht 6 eine optimale Schweißverbindung ohne Einschlüsse entstanden ist.
Vor dem eigentlichen Schweißvorgang wird das Ritzel 3 mit Hilfe einer an sich bekannten nicht dargestellten Vorrichtung in seiner fluchtenden Lage zur Abtriebswelle 4 positioniert, wobei dann das Ritzel 3 in seiner richtigen Position zuerst an mehren Stellen angeheftet werden kann, um nach dem Schweißvorgang einen minimalen Schweißverzug zu erhalten.
Zur Minimierung von Rundlauffehlern ist das Ritzel 3 auf der Abtriebswelle 2 vorgesehenen Aufnahme- bzw. Vorzentrierwellenstumpf 4 gesteckt, wobei es sich hier nicht um ein Passmaß handelt, da ein gewisses Spiel zum Ausjustieren zweckmäßig ist. Hierbei wurde der mit 8 bezeichnete Kopfkreisdurchmesser des Ritzels 3 herangezogen, und zwar mit einem Ergebnis des Rundlaufs des Ritzels 3 von <10 µm, gemessen am Kopfkreis - Durchmesser 8.
Die erfindungsgemäße Lösung einer kompakten nicht lösbaren Verbindung zwischen Antrieb und Ritzel ist aus dem in 2 gezeigten Schliffbild eindeutig ersichtlich. Zur besseren Verdeutlichung wurden bei diesem Schliffbild die Grenzbereiche der stoffschlüssigen Drehverbindung zwischen dem Abtriebswellenstumpf 2 und dem Ritzel 3 etwas mit Tusche nachgezogen.
Die Drehverbindung gemäß 2, zeigt eine Schweißnaht 6 von guter Qualität.
Zur Senkung der Systemkosten, und zwar als durchgängiges Konzept über Baureihen (Stichwort: unterschiedliche Qualitätsstufen) und Baugrößen (Stichwort: Leistungsfähigkeit) sind gemäß 3 Ritzel 3.1 vorgesehen, deren beide Stirnseiten 9 und 10 in den Durchmessern unterschiedliche Kreisringflächen 11 und 12 aufweisen, die jeweils wahlweise als Schnittstelle für eine stoffschlüssige Drehverbindung mit einer entsprechenden Kreisringfläche 13 oder 14 an einer Abtriebswelle 15 oder 16 ermöglichen.
In 3 sind praktisch zwei Ausführungsbeispiele dargestellt, und zwar als erstes Beispiel rechts einen Endabschnitt der Abtriebswelle 15 mit einem größeren Vorzentrierwellenabschnitt 17 und dazu eine gegenüber diesem Abschnitt in dem Ritzel 3.1 vorgesehene, entsprechend dem Vorzentrierwellenabschnitt 17 ausgebildete Bohrung bzw. Ausnehmung 18.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Drehverbindung gemäß dem ersten Beispiel wird nun das Ritzel 3.1 mit seiner Ausnehmung 18 auf den Vorzentrierwellenabschnitt 17 gesteckt, sodass die Schnittstelle 11/13 entsteht, an der dann beide Komponenten stoffschlüssig gemäß dem Schliffbild in 2 zusammengeschweißt werden.
Auf der anderen Seite ist es mit dem gleichen Ritzel 3.1 vorteilhaft möglich, dieses statt mit der Abtreibwelle 15 mit der linken Abtriebswelle 16 zu verbinden. Hierzu besitzt diese einen Vorzentrierwellenstumpf 19, für den in dem Ritzel 3.1 auf der linken Stirnseite 10 eine zentrale Bohrung 20 vorgesehen ist, in welche dann beim Aufstecken des Vorzentrierwellenstumpfes 19 passt, jedoch vorteilhaft nicht mit einem Passmaß, sodass noch ein Ausjustieren möglich ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird zur Herstellung einer stoffschlüssigen Drehverbindung das Ritzel 3.1 mit seiner zentralen Bohrung 20 auf den Vorzentrierwellenstumpf 19 gesteckt, sodass die Schweißschnittstelle mit den Kreisringflächen 12/14 entsteht, die nach einem Ausjustieren stoffschlüssig entsprechend dem Schliffbild in 2 verschweißt wird.

Claims

Drehverbindung zwischen einer Abtriebswelle eines Planetengetriebes und einem Zahnrad, wobei die Abtriebswelle (2; 15; 16) mit dem Zahnrad (3; 3.1) jeweils stirnseitig unter Bildung einer gemeinsamen Schnittstelle (2/3; 11/13; 12/14) unmittelbar stoffschlüssig (6) miteinander verbunden ist, so dass ein optimaler Rundlauf des Abtriebselementes (3; 3.1) unabhängig von der Genauigkeit des Planetengetriebes erreicht wird, wobei die stirnseitig stoffschlüssige Verbindung (6) zwischen der Abtriebswelle (2; 15; 16) und dem Zahnrad (3; 3.1) mittels eines Schmelzschweißverfahrens erfolgt ist, und wobei die gemeinsame Schnittstelle (2/3; 11/13; 12/14) für die stirnseitige stoffschlüssige Verbindung (6) zwischen der Abtriebswelle (2; 15; 16) und dem Zahnrad (3; 3.1) als Kreisringfläche (11 - 14) ausgebildet ist, wobei die Kreisringfläche (11 - 14) der Abtriebswelle (2; 15; 16) und des Zahnrads (3; 3.1) annähernd gleiche Durchmesser aufweisen, wobei das Zahnrad (3; 3.1) stirnseitig auf der Abtriebswelle (2; 15; 16) zentriert angeordnet ist, wobei die Abtriebswelle (2; 15; 16) mit mindestens einem Aufnahme- bzw. Vorzentrierwellenabschnitt (17) ggf. -stumpf (4; 19) versehen ist und das Zahnrad (3; 3.1) eine hierzu korrespondierende Bohrung (5; 20) bzw. Ausnehmung aufweist, wobei der Aufnahme- bzw. Vorzentrierwellenabschnitt (17) bzw. -stumpf (4; 19) zum Justieren des Zahnrads (3; 3.1) kein Passmaß aufweist.
Drehverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2; 15; 16) mit dem Zahnrad (3; 3.1) miteinander verschweißt sind über Schmelzschweißverfahren unter Verwendung von Strahlschweißen, insbesondere Elektronenstrahlschweißen.