Drehverbindung zwischen Welle und Ritzel und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Drehverbindung zwischen einer Welle und einem Abtriebselement, insbesondere Zahnrad, insbesondere zwischen einer An- bzw. Abtriebswelle von einem mit hoher Genauigkeit laufendem Aktuator, insbesondere Getriebe, wie Planetengetriebe oder dgl . und einem Ritzel; sie betrifft ferner das Ritzel selbst sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Drehverbindung.

Bei einer bekannten derartigen Drehverbindung wird z. B. nach der DE 100 32 061 Al 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 der selben 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 Durchmessern muss mit Zwischenflanschen gearbeitet werden, was wiederum zu einem Verlust an Steifigkeit und Lebensdauer führt, da ein grosserer 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 An- bzw. 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 können.

Zur Lösung der Aufgabe führt, das.s die An- bzw. Abtriebswelle mit dem Abtriebselement, insbesondere Ritzel, jeweils stirnseitig unmittelbar Stoffschlüssig miteinander verbunden ist, so dass ein optimaler Ründlauf des Abtriebselementes unabhängig von der Genauigkeit des Aktuators, insbesondere Getriebes, ermöglicht ist.

Wesentlich ist hierbei, dass durch den Wegfall mechanischer Klemmverbiridungselemente sich die Baugrösse der Ritzelverbindung, d. h., der Abstand zwischen dem Ritzel und dem An- bzw. Abtriebswellen-Lager des Aktuators, insbesondere 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 sogenannten linearen Getriebesteifigkeit „Ca„ ^" am Beispiel eines

Zahnstangengetriebes wird der Einfluss des Durchmessers „d" des Ritzels mehr als deutlich:

Clin = C _t x 43200 π x d ²

Nach Massgabe der Erfindung erfolgt die stirnseitige Stoffschlüssige Verbindung zwischen An- bzw. 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 Elektronen- schweissverfahren erforderlich. Auch mit dem sogenannten

Reibschweissen ist eine erfindungsgemässe Ritzel-Wellen- Verbindung möglich.

Bezüglich der Schweissgeometrie kann es aus Platzgründen zweckmässig sein, jeweils den stirnseitigen stoffschlüssigen Verbindungsquerschnitt der An- bzw. 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 An- bzw. Abtriebswelle des Getriebes vor dem eigentlichen Schweissvorgang zentriert anzuordnen, wobei hierfür an der An- bzw. 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 kann es zweckmässig sein, dass der Aufnahme- bzw. Vorzentrierwellenstumpf zum Justieren des Ritzels kein Passmass aufweist, d. h., dass das Ritzel durch, das dadurch vorhandene geringe Spiel besser einjustiert werden kann.

Zur Reduzierung von Typenvielfalt und somit auch der 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 An- bzw. 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 An- bzw. 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.

Auf diese Weise entsteht ein Baukastensystem mit einer An- bzw. Abtriebswelle und einer Mehrzahl von unterschiedlichen Ritzeln .

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Drehverbindung besteht nun darin, dass die Stirnfläche der An- bzw. 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 und Druck der An- bzw. Abtriebswelle 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. Dies geschieht erfindungsgemäss bei einem fertigen Getriebe und nicht bei einem vorgehenden Herstellungsschritt. Das Ritzel wird so auf die Welle aufgesetzt, dass ein Rundlauffehler oder auch eine leichte Verkippung durch das Schweissen eliminiert ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfϋhrungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigt :

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Planetengetriebes mit an dessen An- bzw. Abtriebswelle angeschweisstem Ritzel im Schnitt sowie einen Ausschnitt aus dem Bereich einer Schweissnaht als Detail „A",

Fig. 2 ein Schliffbild der Schweissnaht gemäss dem Detail in Fig. 1 und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Ritzel mit zwei unterschiedlichen Möglichkeiten einer Drehverbindung mit einem An- bzw. Abtriebswellenabschnitt.

In Fig. 1 ist ein Planetengetriebe 1 gezeigt, welches eine An- bzw. Abtriebswelle 2 besitzt, an deren Stirnseite ein Abtriebselement 3, insbesondere Ritzel, ebenfalls mit seiner Stirnseite mit Hilfe eines Strahlschweissverfahrens, insbesondere Elektronenstrahlschweissverfahren, ange- schweisst ist. Ein Laserschweissen ist in diesem Fall ebenfalls möglich. Das freie Ende der An- bzw. 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, wodurch 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 An- bzw. 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 Rundlauffehlem ist das Ritzel 3 auf den auf der An- bzw. Abtriebswelle 2 vorgesehenen Aufnahmebzw. 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

Die erfindungsgemässe Lösung einer kompakten nicht lösbaren Verbindung zwischen Antrieb und Ritzel ist aus dem in Fig. 2 gezeigten Schliffbild eindeutig ersichtlich. Zur besseren Verdeutlichung wurden bei diesem Schliffbild die Grenzbereiche der stoffschlüssigen Drehverbindung zwischen dem An- bzw. Abtriebswellenstumpf 2 und dem Ritzel 3 etwas mit Tusche nachgezogen.

Die Drehverbindung gemäss Fig. 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 Fig. 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 stoffschlϋssige Drehverbindung mit einer entsprechenden Kreisringfläche 13 oder 14 an einer An- bzw. Abtriebswelle 15 oder 16 ausgebildet sind.

In Fig. 3 sind praktisch zwei Ausführungsbeispiele dargestellt, und zwar als erstes Beispiel rechts ein Endabschnitt der An- bzw. Abtriebswelle 15 mit einem grosseren 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 Fig. 2 zusammengeschweisst werden.

Auf der anderen Seite ist es mit dem gleichen Ritzel 3.1 vorteilhaft möglich, dieses statt mit der An- bzw. Abtreibwelle 15 mit der linken An- bzw. 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 der 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 Fig. 2 verschweisst wird.

Die Wahl des Begriffs Drehverbindung in Bezug auf die Kurzdarstellung „Ritzel-Wellen-Verbindung" schliesst auch ganz allgemein z. B. eine „Zahnrad-Naben-Verbindung" mit ein sowie andere Getriebe wie Flexspline- oder Cyclogetriebe .

DR. PETER WEISS & DIPL . -FORSTW . PETRA ARAT

Patentanwälte European Patent Attorney

Aktenzeichen: P 3506/PCT Datum: 21.02.2008 W/ST

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