DE19852279A1 - Maschinenanordnung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Maschinenanordnung angegeben mit einer ersten Maschine, die einen ersten Rotationsanschluß aufweist, einer zweiten Maschine, die einen zweiten Rotationsanschluß aufweist, und einer Welle (5) zur Übertragung eines Drehmoments, die mit den beiden Rotationsanschlüssen drehfest verbunden ist. DOLLAR A Hierbei möchte man auf einfache Weise die Auswirkung von Fluchtungsfehlern bei der Montage der beiden Maschinen klein halten. DOLLAR A Hierzu weist die Welle (5) an mindestens einem Ende eine Außenverzahnung (6) auf, die mit einer Innenverzahnung (8, 9) der Maschine an diesem Ende in Eingriff steht, die eine Schwenkbewegung der Welle (5) erlaubt, wobei die Außenverzahnung (6) Zähne (10) mit konkav verlaufenden Zahnflanken (11, 12) aufweist, die an ihren axialen Enden (15, 16) weniger stark gekrümmt sind als im Bereich der axialen Mitte.

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschinenanordnung mit ei­ ner ersten Maschine, die einen ersten Rotationsanschluß aufweist, einer zweiten Maschine, die einen zweiten Ro­ tationsanschluß aufweist, und einer Welle zur Übertra­ gung eines Drehmoments, die mit den beiden Rotationsan­ schlüssen drehfest verbunden ist.

Unter dem Begriff "Maschine" sollen alle Vorrichtungen verstanden werden, die ein Drehmoment erzeugen, z. B. Motoren, aufnehmen, z. B. Pumpen, Generatoren oder Ar­ beitsmaschinen, umwandeln, z. B. Getriebe und Antriebse­ lemente, oder einfach nur Weiterleiten, z. B. Wellen.

Aus Gründen der Anschaulichkeit wird die Erfindung im folgenden anhand einer Maschinenanordnung beschrieben, die aus einem hydraulischen Motor und einem Getriebe gebildet ist, wobei die Welle das Drehmoment vom hy­ draulischen Motor zum Getriebe überträgt.

Bei einer derartigen Maschinenanordnung wird das Ge­ triebegehäuse fest mit dem Motorgehäuse verbunden. Es wird in der Regel dort angeflanscht. Hierbei muß man darauf achten, daß die Ausgangswelle des Motors und die Eingangswelle des Getriebes fluchten, d. h. eine gemein­ same Rotationsachse aufweisen. Wenn diese Ausrichtung nicht stimmt, dann wird die Lebensdauer einer der bei­ den Maschinen stark verkürzt, beispielsweise durch eine falsche Lagerbelastung. Abweichungen bei der Positio­ nierung können sich beispielsweise dadurch ergeben, daß die beiden Maschinen seitlich zueinander versetzt mon­ tiert werden, so daß die Rotationsachsen der Ausgangs­ welle des Motors und der Eingangswelle des Getriebes seitlich zueinander versetzt, aber parallel zueinander sind. Der Positionierungsfehler kann auch darin beste­ hen, daß die beiden Rotationsachsen einen Winkel mit­ einander einschließen. Selbstverständlich können auch beide Fehlermöglichkeiten kombiniert werden.

Man kann das durch Fehlausrichtungen verursachte Pro­ blem dadurch umgehen, daß man die Welle als Kardanwelle ausbildet. Diese Vorgehensweise ist jedoch relativ um­ ständlich und kostenaufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise die Auswirkungen von Fluchtungsfehlern kleinzu­ halten.

Diese Aufgabe wird bei einer Maschinenanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Welle an mindestens einem Ende eine Außenverzahnung aufweist, die mit einer Innenverzahnung der Maschine an diesem Ende in Eingriff steht, die eine Schwenkbewegung der Welle erlaubt, wobei die Außenverzahnung Zähne mit kon­ kav verlaufenden Zahnflanken aufweist, die an ihren axialen Enden weniger stark gekrümmt sind als im Be­ reich der axialen Mitte.

Mit dieser Ausgestaltung erhält man an dem betreffenden Ende der Welle eine kardanische Verbindung zwischen der Welle und der betreffenden Maschine, also eine Verbin­ dung, die eine Schwenkbewegung der Welle gegenüber der Maschine während der Rotation zuläßt. Mit einer derar­ tigen Gelenkverbindung an einem Ende können bereits Winkelfehler ausgeglichen werden. Mit einer entspre­ chenden Zahnstruktur an beiden Enden der Welle können auch Fluchtungsfehler ausgeglichen werden, die durch einen seitlichen Versatz der beiden Maschinen verur­ sacht werden. Die Verwendung einer Zahnstruktur erlaubt es, die Welle in die entsprechende Maschine hineinzu­ stecken. Die Montage wird dadurch relativ einfach.

Trotz der Möglichkeit einer Schwenkbewegung der Welle gegenüber der Maschine ist die angegebene Zahnform re­ lativ hoch belastbar.

Die Krümmung der Zahnflanken ist so ausgestaltet, daß sich die zur Verfügung stehende Fläche zu den axialen Enden der Zähne vergrößert. Damit nimmt die Flächen­ pressung der Zähne, also die spezifische Belastung der Zahnflanken, zu den axialen Enden der Zähne hin ab. Zur axialen Mitte hin wird die Fläche zwar kleiner und da­ mit auch die Flächenpressung, d. h. die Kraft geteilt durch die Fläche, größer. Hier ist der Zahn dann aber dicker, so daß er die Belastung leichter aushalten kann. In Verzahnungen, die aus hydraulischen Maschinen bekannt sind, beispielsweise US 3 973 880, waren die Verhältnisse praktisch umgekehrt. Hier nahm die Flä­ chenpressung zu den axialen Enden der Zähne hin zu, was naturgemäß leichter zur Gefahr einer Beschädigung führ­ te. Dadurch, daß die Zahnflanken konkav gekrümmt sind, entfällt auch die Notwendigkeit, eine scharfe Innenkan­ te ausbilden zu müssen. Hierdurch ist die Gefahr einer Kerbwirkung geringer, so daß die Belastbarkeit weiter vergrößert wird. Darüber hinaus ergibt sich als zusätz­ licher Vorteil ein verschleißarmeres und ruhigeres Laufverhalten, weil die Zähne mit der entsprechenden Gegenverzahnung bei ansonsten unveränderten Bedingungen mit einer geringeren Flächenpressung aneinander anlie­ gen. Die Belastung kann mit der neuen Ausgestaltung praktisch verdoppelt werden, wenn man ansonsten die gleiche Dimensionierung voraussetzt. Dies ergibt sich zum einen aus der Verminderung des Kerbfaktors, was be­ reits erheblich zu einer Reduzierung des Spannungsni­ veaus beiträgt. Ein anderer wesentlicher Beitrag liegt im besseren Stütz- oder Trageverhalten des Profils ge­ genüber einem Profil mit "scharfen" Zähnen an der Zwi­ schenwelle.

Vorzugsweise sind in den Zahnzwischenräumen die Zahn­ flanken benachbarter Zähne durch ein kontinuierlich verlaufendes Profil miteinander verbunden. Damit kann man auch den Boden des Zahnzwischenraums in die Krüm­ mung der Zahnflanken mit einbeziehen. Es ergibt sich also eine stufen- und knickfreie Verbindung der Zahn­ flanken, was die Laufeigenschaften verbessert und die Verschleißfestigkeit und die Belastbarkeit erhöht.

Mit Vorteil weist das Profil an jeder axialen Position die gleiche Krümmung auf wie die Zahnflanken. Es ergibt sich also bei jedem Schnitt senkrecht zur Axialrichtung eine stetig differenzierbare Kurve, an der die entspre­ chenden Gegenzähne der Innenverzahnung gut abrollen können.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorge­ sehen, daß die Form der Zahnzwischenräume im wesentli­ chen gebildet ist durch Teile der Mantelflächen einan­ der gegenüberliegender Kegelstümpfe. Wenn man einen Schnitt parallel zur Achse der Zwischenwelle durch­ führt, dann besteht der Grund der Zahnzwischenräume aus zwei gegenläufig geneigten Geraden. Geringfügige Abwei­ chungen von der Form einer exakten Geraden sind natür­ lich aus produktionstechnischen Gründen zulässig. Das Profil weist jedoch in Axialrichtung keine ausgeprägten Krümmungen mehr auf. Voraussetzung hierfür ist ledig­ lich, daß die Neigungen an den Schwenkwinkel der Zwi­ schenwelle gegenüber dem Verdrängungselement bzw. der Ausgangswelle angepaßt sind. Damit läßt sich die Bela­ stung relativ gleichmäßig auf jeweils eine halbe axiale Erstreckung einer jeden Zahnflanke verteilen, so daß wiederum eine geringere Flächenpressung erzielt wird. Die Zahnausschnitte weisen die Form von Kegelschnitten auf.

Mit Vorteil weist der Grund in der Mitte des Zahnzwi­ schenraums eine Neigung im Bereich von 1° bis 10°, ins­ besondere von 1° bis 3,5°, gegenüber der Achse der Zwi­ schenwelle auf. Derartige Winkel haben sich als zweck­ mäßig erwiesen. Sie reichen in den meisten Fällen voll­ kommen aus, um das Orbitieren des Verdrängungselements zuzulassen.

Mit Vorteil weist die Außenverzahnung eine Zähnezahl im Bereich von 3 bis 20, insbesondere von 8 bis 12 auf. Damit ergeben sich Eingriffswinkel im Bereich von 30° bis 45°. Bei derartigen Eingriffswinkeln haben die Zäh­ ne die größte Lebensdauer. Es ergibt sich in der Regel ein relativ ruhiges Laufverhalten.

Mit Vorteil weist die Innenverzahnung eine in Axial­ richtung gleichbleibende Form auf. Man kann nämlich aufgrund der Ausbildung der Außenverzahnung der Zwi­ schenwelle die Innenverzahnung des Verdrängungselements bzw. der Ausgangswelle nun so gestalten, daß sie sich in Axialrichtung nicht verändert. Damit läßt sich noch besser eine Anpassung der Innenverzahnung an die Außen­ verzahnung erreichen.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Form der Zähne der Innenverzahnung im wesentlichen gebildet ist durch einen Teil der Mantelfläche eines Kegelschnittkörpers, beispielsweise eines Zylinders. Ein Kegelschnittkörper entsteht durch die Projektion eines Kegelschnittes in die dritte Dimension. Zwar erhält man hierbei die Si­ tuation, daß am Übergang der Zahnflanken in den Zahn­ zwischenraum möglicherweise ein Knick entsteht, der zu einer Kerbwirkung führen könnte. Dies ist aber nicht ganz so kritisch wie auf der Zwischenwelle, weil hier die Bauteile entsprechend größer dimensioniert werden können und entsprechend widerstandsfähiger sind.

Vorzugsweise ragt die Welle zumindest an einem mit der Außenverzahnung versehenen Ende mit einem Teil ihrer Länge, der sich über die Außenverzahnung hinaus er­ streckt, in die entsprechende Maschine hinein. Damit läßt sich der zulässige Versatz noch weiter vergrößern, weil eine größere Länge für die Schwenkbewegung zur Verfügung steht und der Schwenkwinkel damit klein blei­ ben kann.

Bevorzugterweise ist die erste Maschine als Hydraulik­ motor ausgebildet. Gerade bei einem Hydraulikmotor ha­ ben Versatzprobleme negative Folgen, insbesondere im Hinblick auf die Dichtigkeit der Maschine. Durch den Einsatz der Welle mit der Verzahnung läßt sich dieses Problem weitgehend entschärfen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Maschinenan­ ordnung und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Endes einer Zwischenwelle mit Außenverzahnung.

Eine Maschinenanordnung 1 weist im vorliegenden Fall einen hydraulischen Motor 2 auf, der mit einem Getriebe 3 verbunden ist. Das Getriebe 3 weist eine Ausgangswel­ le 4 auf. Der nähere Aufbau des Getriebes 3 ist nicht dargestellt. Das Getriebe kann beispielsweise als Pla­ netenradgetriebe ausgebildet sein.

Der Motor 2 und das Getriebe 3 sind über eine Welle 5 miteinander verbunden. Die Welle 5 hat an ihren beiden axialen Enden jeweils eine Außenverzahnung 6, 7, wobei die Außenverzahnung 6 mit einer schematisch dargestell­ ten Innenverzahnung 8 am Motor 2 und die Außenverzah­ nung 7 mit einer ebenfalls schematisch dargestellten Innenverzahnung 9 im Getriebe 3 in Eingriff steht.

Das Getriebe 3 kann unmittelbar an den Motor 2 ange­ setzt sein. Im vorliegenden Fall ist jedoch zwischen dem Motor 2 und dem Getriebe 3 eine Zwischenplatte 20 angeordnet. Motor 2, Zwischenplatte 20 und Getriebe 3 werden durch axial geführte Schraubbolzen 21, 22, von denen nur zwei dargestellt sind, in Axialrichtung zu­ sammengespannt.

Aus Gründen der Übersicht übertrieben groß dargestellt ist ein seitlicher Versatz des Getriebes 3 zum Motor 2, d. h. das Getriebe 3 ist um eine kleine Strecke d seit­ lich zum Motor 2 verschoben. Dementsprechend stimmen die Rotationsachsen 23 des Motors 2 bzw. 24 des Getrie­ bes 3 nicht mehr überein. Sie sind ebenfalls seitlich zueinander versetzt. Aus diesem Grunde muß die Welle 5 bei jeder Rotation Schwenkbewegungen durchführen kön­ nen. Sie ist also sowohl mit dem Motor 2 als auch mit dem Getriebe 3 gelenkig verbunden.

Hierzu ist eine spezielle Form der Außenverzahnungen 6, 7 vorgesehen. Diese Form erlaubt es, daß man einerseits relativ große Momente über die Welle 5 übertragen kann, andererseits aber auch der Verschleiß klein bleibt.

Die Form der Außenverzahnung soll nun anhand von Fig. 2 erläutert werden. Es sei hierbei allerdings vorausge­ schickt, daß die Verhältnisse zur Erläuterung insbeson­ dere im Hinblick auf Neigungswinkel übertrieben groß dargestellt sind.

Die in Fig. 2 dargestellte Außenverzahnung 6 der Zwi­ schenwelle 5 weist mehrere Zähne 10 auf, die Zahnflan­ ken 11 und 12 aufweisen. Die Zahnflanken 11, 12 sind konkav gekrümmt. Hierbei gehen die Zahnflanken 11, 12 einander benachbarter Zähne ineinander über, d. h. die konkave Krümmung setzt sich auch im Grund 13 der Zahn­ zwischenräume fort.

Die Krümmung der Zahnflanken 11, 12 und des Grundes 13 des Zahnzwischenraums ist nun so ausgebildet, daß sie sich von der axialen Mitte 14 der Zahnstruktur zu den axialen Enden 15, 16 hin vergrößert. Dies soll dadurch verdeutlicht werden, daß die Abstände der im wesentli­ chen axial verlaufenden Linien 17, die die Krümmung verdeutlichen sollen, an den axialen Enden 15, 16 grö­ ßer sind als in der axialen Mitte 14 der Außenverzah­ nung 6. Damit nimmt auch die zur Verfügung stehende Fläche an den Zahnflanken 11, 12 zu den axialen Enden 15, 16 der Verzahnung hin zu, so daß bei gleichbleiben­ den Kräften die Flächenpressung vermindert wird. Die Querschnittsformen der Zähne lasen sich in der Regel durch Kegelschnitte, z. B. Hyperbeln, Ellipsen oder ge­ gebenenfalls Parabeln, beschrieben.

An jeder axialen Stelle des Profils des Zahnzwischen­ raums, das die Zahnflanken 11, 12 und den Grund 13 um­ faßt, liegt eine im wesentlichen gleichbleibende Krüm­ mung vor. Würde man an dieser Stelle einen Schnitt senkrecht zur Axialrichtung machen, dann hätte dieses Profil im Schnitt praktisch die Form einer Kreislinie. Die Fläche, die die Zahnflanken 11, 12 und den Grund 13 abdeckt, wird also gebildet durch einen Teil der Man­ telflächen von zwei einander gegenüberliegenden Kegel­ stümpfen.

Das hat zur Folge, daß der Grund 13 in der Mitte zwi­ schen zwei Zähnen 10 eine gewisse Neigung gegenüber der Achse der Zwischenwelle 5 aufweist. Im vorliegenden Fall liegt der Neigungswinkel im Bereich von 1° bis 3,5°. Er hängt ab von der Neigung, die die Zwischenwel­ le 5 im Betrieb gegenüber der Achse der Welle 4 ein­ nimmt. In Fig. 2 sind allerdings, wie gesagt, die Ver­ hältnisse stark übertrieben dargestellt.

Die mit der Außenverzahnung zusammenwirkenden Gegenver­ zahnung, also beispielsweise die Innenverzahnung 8 am Verdrängungselement 3 kann einfach durch Zähne gebildet werden, die die Form von Zylindern haben, die teilweise in das Verdrängungselement 3 eingebettet sind. Ihre Form ändert sich also in Axialrichtung nicht. Sie wir­ ken aufgrund ihrer Form sehr gut, verschleißarm und be­ lastungsstark mit der in Fig. 2 dargestellten Außenver­ zahnung zusammen.

Die Außenverzahnung 6, 7 weist zweckmäßigerweise acht bis zwölf Zähne auf.

Die Welle 5 ragt bis etwa in die axiale Mitte des Ge­ triebes hinein. Der Abstand zum Motor 2 wird durch die Zwischenplatte 20 noch etwas vergrößert. Damit wird der Schwenkwinkel, den die Welle 5 im Betrieb zurücklegen muß, kleiner als bei einer axial kürzeren Entfernung zwischen dem Angriffsort der Welle 5 am Getriebe und dem entsprechenden Angriffsort am Motor 2.

Claims (10)

1. Maschinenanordnung mit einer ersten Maschine, die einen ersten Rotationsanschluß aufweist, einer zweiten Maschine, die einen zweiten Rotationsan­ schluß aufweist, und einer Welle zur Übertragung eines Drehmoments, die mit den beiden Rotationsan­ schlüssen drehfest verbunden ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Welle (5) an mindestens einem En­ de eine Außenverzahnung (6, 7) aufweist, die mit einer Innenverzahnung (8, 9) der Maschine (2, 3) an diesem Ende in Eingriff steht, die eine Schwenkbe­ wegung der Welle (5) erlaubt, wobei die Außenver­ zahnung (6, 7) Zähne (10) mit konkav verlaufenden Zahnflanken (11, 12) aufweist, die an ihren axialen Enden (15, 16) weniger stark gekrümmt sind als im Bereich der axialen Mitte.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflanken (11, 12) benachbarter Zähne (10) durch ein kontinuierlich verlaufendes Profil miteinander verbunden sind.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil an jeder axialen Position die glei­ che Krümmung wie die Zahnflanken (11, 12) aufweist.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Zahnzwischenräume im wesentlichen gebildet ist durch Teile der Man­ telflächen einander gegenüberliegender Kegelstümp­ fe.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund (13) in der Mitte des Zahnzwischenraums eine Neigung im Bereich von 1° bis 10°, insbesondere von 1° bis 3,5°, gegenüber der Achse der Zwischenwelle (5) aufweist.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenverzahnung (6, 7) eine Zähnezahl im Bereich von 3 bis 20, insbesondere von 8 bis 12 aufweist.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenverzahnung (8, 9) eine in Axialrichtung gleichbleibende Form aufweist.

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Zähne der Innenverzahnung (8, 9) im wesentlichen gebildet ist durch einen Teil der Mantelfläche eines Kegelschnittkörpers.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (5) zumindest an ei­ nem mit der Außenverzahnung (6, 7) versehenen Ende mit einem Teil ihrer Länge, der sich über die Au­ ßenverzahnung (6, 7) hinaus erstreckt, in die ent­ sprechende Maschine (3) hineinragt.

10. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Maschine (2) als Hy­ draulikmotor ausgebildet ist.