Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bewegt sich auf dem Gebiet der Verzahnungen, insbesondere einer Antriebsspindel zum Antrieb einer Walze in Walzwerken oder Stranggussanlagen. Die Erfindung betrifft eine Verzahnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für eine solche Verzahnung.

Stand der Technik

Bei gewissen Anwendungen sind Kraftübertragungen von einem Antrieb zu einer Welle unter einem Winkel erfordert. Diese Anforderung ergibt sich zum Beispiel häufig in Walzwerken. Sind bspw. zwei Arbeitswalzen übereinander angeordnet, so können sich durch deren relativ geringen Durchmesser Probleme bei einer gewünschten Erhöhung des zu übertragenden Drehmoments ergeben. Soll das zu übertragende Drehmoment erhöht werden, muss bisher der Durchmesser der Arbeitswalzen vergrößert werden, was unter anderem zu Energieverlusten führt. Darüber hinaus muss in diesem Fall auch das Walzgerüst stärker ausgelegt werden.

Bisherige Systeme weisen daher zum Beispiel kardanische Gelenke auf, die sich zwischen Antriebsspindel und der Walze befinden, aber den Anforderungen der erhöhten Drehmomentübertragung nicht gerecht werden. Ordnet man die Antriebsspindel mittels einer Steckverzahnung unter einem Winkel zur Walze an, kann die Antriebsspindel zwar zur Übertragung größerer Walzmomente ausgebildet werden, allerdings führt die bei den Antriebsspindeln übliche, klassische Verzahnung zu einem Kantentragen, wodurch letztendlich ein sehr hoher Verschleiß hervorgerufen wird und nach wie vor keine Übertragung der gewünschten höheren Momente möglich ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Auslenkwinkel zwischen einer Verzahnung und einer komplementären zweiten Verzahnung zu ermöglichen, bei der mehr Drehmoment übertragen werden kann, als es bisher der Fall ist.

Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Verzahnung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Wird zumindest eine dieser Modifikationen vorgenommen, kann die Verzahnung unter einem Auslenkwinkel mit der zweiten Verzahnung betrieben werden und mehr Drehmoment übertragen, als dies ohne diese Modifikationen der Fall wäre. Insbesondere wird durch die aufgeführten Modifikationen ein Kantentragen verhindert, das einer erhöhten Drehmomentübertragung im Wege steht. Bevorzugt können zwei oder mehrere der Modifikationen kombiniert werden, zum Beispiel eine Rücknahme am Zahnfuß mit einer Rücknahme am Zahnkopf oder auch eine Verschränkung mit einer oder beiden der Rücknahmen.

Unter einer Rücknahme am Zahnfuß oder Zahnkopf ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die Profillinie gegenüber einer herkömmlichen Formgebung zurück bleibt, und zwar insbesondere im Bereich einer Berührung der Zahnflanken in einem normalen Betrieb.

Weiterhin kann durch die Erfindung insbesondere das übertragbare Drehmoment von einer Antriebsspindel zu einer Walze erhöht werden und/oder der Auslenkwinkel zwischen einer Antriebsspindel und einer Walze vergrößert werden. Ohne die vorgestellten Modifikationen wird der Traganteil der Flanken bei zunehmenden Auslenkwinkeln, die größer als Null sind, kleiner, so dass bei steigendem Auslenkwinkel zunehmend weniger Drehmoment übertragen werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Verzahnung kann die Last über die Zahnhöhe gleichmäßig verteilt werden. So kann zum Beispiel eine Antriebsspindel in bestimmten Fällen 50% mehr Drehmoment übertragen, wodurch größere Bandbreiten gewalzt werden können. Bei einer weiteren Steigerung des übertragbaren Moments können Arbeitswalzen sogar kleiner ausgelegt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Verzahnung ist die Verzahnung als Evolventenverzahnung ausgeführt, wobei die Zahnfüße und/oder die Zahnköpfe bevorzugt, aber nicht notwendig zumindest parabolisch zurückgenommen sind.

Unter einer zumindest parabolischen Rücknahme ist zu verstehen, dass die

Profildifferenz zwischen der theoretischen Flanke einer Evolventenverzahnung und der erfindungsgemäß zurückgenommenen Flanke als Funktion des Abrollweges über das Profil der Evolventenverzahnung wenigstens etwa mit der zweiten Potenz ansteigt. Besonders bevorzugt ist die Rücknahme dabei im

Wesentlichen parabelförmig.

Durch die parabolische Rücknahme der Zahnfüße und - köpfe, kann das Kantentragen verringert werden und damit die Drehmomentübertragung verbessert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Verzahnung sind die Zahnfüße am Fußkreis zwischen 0,2% und 3% der Zahndicke am Teilkreis zurückgenommen und/oder die Zahnköpfe am Kopfkreis zwischen 0,1 % und 2% der Zahndicke am Teilkreis zurückgenommen.

Durch diese Werte der Profilmodifizierung eines jeden Zahns, kann die Kraftübertragung beim Eingriff der Verzahnungen optimiert werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Verzahnung, setzt die Zahnkopfrücknahme zwischen 50% und 70% der Zahnhöhe ein und/oder die Zahnfußrücknahme zwischen 50% und 60% der Zahnhöhe ein. Durch diese genauen Angaben für die Rücknahme des Kopfes oder des Fußes relativ zur jeweiligen Zahnhöhe, kann das übertragbare Drehmoment weiter optimiert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Verzahnung ist die Mantellinie in Breitenrichtung symmetrisch gewölbt. Unter der Mantellinie ist auf bekannte Weise der Verlauf des Bodens zwischen zwei benachbarten Zähnen zu verstehen.

Durch das Formen einer gewölbten Mantellinie kann die Drehmomentübertragung abermals weiter gesteigert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Verzahnung ist die Wölbung der Flankenlinie derart ausgebildet, dass die Differenz der größten Dicke eines jeden Zahns auf der Höhe des Teilkreises und der kleinsten Dicke eines jeden Zahns auf der Höhe des Teilkreises, einem Wert zwischen 3% und 20% der größten Dicke eines jeden Zahns auf der Höhe des Teilkreises entspricht.

Dieses Merkmal präzisiert eine vorteilhafte Gestalt einer Wölbung der Flankenlinie. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Verzahnung ist die Schränkung der Zähne durch eine maximale Profilwinkelabweichung zwischen 0,3° und 1 ,5° gebildet.

Dieser zwar relativ geringe Wert der Schränkung verbessert die Drehmomentübertragung beim Eingriff der Verzahnung in eine zweite Verzahnung unter einem Winkel deutlich. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Verzahnung ist die Schränkung der Zähne in Richtung der Flanke der Zähne parabelförmig ausgebildet. Dies bedeutet, dass eine Profilwinkelabweichung als Funktion über die Breite des Zahns einen im Wesentlichen parabelförmigen Verlauf aufweist.

Die Aufgabe der Erfindung wird für ein eingangs genanntes Herstellungsverfahren für eine Verzahnung zudem durch die Merkmale des Anspruchs 12 gelöst.

Unter einer klassischen Herstellung ist zunächst jedes bekannte Verfahren zu verstehen, mittels dessen eine Grundform der Verzahnung unter eingeschränkter Formgebung hergestellt wird, z.B. Wälzfräsen o.ä.. Die Nachbearbeitung zur Erlangung einer erfindungsgemäßen Verzahnung kann insbesondere mittels Schleifen in einer frei beweglichen Bearbeitungsmaschine erfolgen, zum Beispiel einer 4-Achsen oder 5-Achsen-Maschine.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt die Bogenverzahnung nach dem Erstellen durch die klassische Methode als Evolventenverzahnung vor und die Zahnfüße und/oder Zahnköpfe werden beim Nachbearbeiten parabolisch zurückgenommen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Nachbearbeitung in mindestens einem der Schritte durch mindestens einen Schleifvorgang oder durch genau einen Schleifvorgang pro Zahnflanke. Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zum Antrieb einer Walze einer hüttenmännischen Anlage, umfasssend eine Welle mit einer Verzahnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Eine solche Welle kann zum Beispiel unmittelbar in eine korrespondierende Aufnahme an einer Walze und/oder einem Motor nach Art einer Steckverzahnung eingesetzt sein. Die Aufnahme kann insbesondere eine Innenverzahnung aufweisen, die ebenfalls erfindungsgemäß ausgeformt sein kann. Die Innenverzahnung kann bei einer möglichen Ausführungsform eine Geradverzahnung aufweisen, in der die Welle bzw. erfindungsgemaße Verzahnung um einen definierten Hub axial verschiebbar aufgenommen ist. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist eine Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 an beiden Enden der Welle ausgebildet. Hierdurch wird eine Zwischenwelle bereitgestellt, die z.B. an beiden Enden über eine gewinkelte Steckverzahnung verbunden ist und so einen besonders großen Winkel bzw. bei vorgegebenem Winkel die Übertragung eines besonders großen Drehmoments ermöglicht.

In bevorzugter Ausführungsform sind die Welle und die Walze in einem Auslenkwinkel von mehr als 0°, insbesondere mehr als 0,2°, zueinander angeordnet. Besonders bevorzugt beträgt der Auslenkwinkel dabei nicht mehr als etwa 3°, insbesondere zwischen etwa 2° und etwa 3°.

Kurze Beschreibung der Figuren

Im Folgenden werden kurz die Figuren der Ausführungsbeispiele beschrieben. Weitere Details sind der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Es zeigen:

Figur 1 einen Teil-Querschnitt über die Höhe eines Zahns eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, in dem schematisch eine erfindungsgemäße Profilmodifikation der rechten Flanke des Zahns gezeigt ist, insbesondere die Zahnfuß- sowie die

Zahnkopfrücknahme; Figur 2 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit eingezeichneter Schnittebene B-B;

Figur 3 den schematischen Schnitt B-B aus Figur 2 in einer Draufsicht;

Figur 4 die Detailansicht aus Figur 3, in gleicher Perspektive, mit schematischer Darstellung einer erfindungsgemäßen Modifikation der Flankenlinie;

Figur 5 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels im Falle einer Schränkung mit der Profilwinkeländerung φ, in Grad, aufgetragen gegen die Z-Richtung, in beliebigen Wegeinheiten, welche in Breitenrichtung der Verzahnung verläuft.

Fig. 6 eine teilweise Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum

Antrieb von Walzen einer hüttenmännischen Anlage,

Fig. 7 eine Detailvergrößerung der Vorrichtung aus Fig. 6.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Zunächst sei bemerkt, dass Begriffe wie Teilkreis, Kopfkreis, Fußkreis, Mantellinie, Flankenlinie, Eingriffswinkel, Schränkung und andere dem Fachmann allgemein bekannt sind und daher ohne weitere Erklärung in der folgenden Beschreibung verwendet werden.

Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Flanke eines Zahns 2 einer Verzahnung 1 . Die Flankenlinie verläuft konvex gebogen, weshalb grundsätzlich auch von einer Bogenverzahnung gesprochen werden kann. Rechts neben dieser Flanke befindet sich eine Zahnlücke 3. Die Rotationsachse der Verzahnung 1 liegt senkrecht zur gezeigten Querschnittsebene. Der Eingriffswinkel α der Verzahnung kann verschiedene Werte aufweisen, insbesondere kann er bevorzugt Werte zwischen 26° und 34° annehmen. Die Linie 6 stellt die Profillinie eines Zahns 2 in Form einer klassischen Evolventenlinie 6 einer bekannten Evolventenverzahnung dar. Allerdings kann erfindungsgemaß der Fuß 4 und/oder auch der Kopf 5 des Zahns 2 zurückgenommen werden, das heißt vorzugsweise weiter gegenüber der klassischen Evolventenform abgeschliffen werden. Die Rücknahme des Zahnkopfes 5 ist durch die Linie 7 dargestellt, die des Zahnfußes 4 durch die Linie 8. Die Rücknahme des Zahnkopfes 5 am Kopfkreis ist schematisch durch die Strecke bzw. den Abstand A-A dargestellt. Die Radien bzw. Durchmesser bei denen die Rücknahmen des Zahnfußes 4 bzw. des Zahnkopfes 5 ansetzen, sind mit den Bezugszeichen 9, 10 gekennzeichnet. Zwischen diesen Punkten 9, 10 entspricht der Verlauf der Flanke des Zahns 2 vorzugweise der Evolventenform 6, kann aber auch andere übliche Verläufe beschreiben. Die in Figur 1 eingezeichnete Zahnkopfrücknahme und Zahnfußrücknahme ist stark überhöht dargestellt und daher als schematisch zu verstehen. Gleiches gilt für die Radien 9, 10. Die Zahnfußrücknahme kann verschiedene Werte annehmen, beträgt jedoch vorzugsweise am Fußkreis zwischen 0,2% und 3% der am Teilkreis gemessenen Zahndicke, wobei die Dickenrichtung senkrecht zur Breitenrichtung der Verzahnung 1 steht. Die Zahnköpfe 5 sind vorzugsweise um 0,1 % bis 2% am Kopfkreis bzw. auf Höhe des Kopfkreises der Zahndicke (gemessen am Teilkreis) zurückgenommen. Die Rücknahme des Zahnkopfes 5 beginnt vorzugsweise bzw. setzt zwischen 50% und 70% der Zahnhöhe ein und/oder die des Zahnfußes 4 zwischen 50% und 60% der Zahnhöhe. Die Zahnhöhe ist dabei als die Differenz der Radien des Kopfkreises und des Fußkreises definiert. Anders ausgedrückt heißt das, dass die Kopf- bzw. Fußrücknahmen bei Radien einsetzen, die den obigen prozentualen Anteilen der Differenz von Kopf- und Fußkreisradius entsprechen.

Figur 2 zeigt ebenfalls einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Verzahnung 1 , jedoch ist nun eine Wölbung bzw. Modifikation der Mantellinie hervorgehoben. Die Ansicht ist als zweidimensional zu verstehen. Sichtbar sind die Zähne 2 der Verzahnung 1 sowie eine Zahnlücke 3 zwischen den Zähnen 2. Die Linie am oberen Ende des linken Zahns 2 stellt die höchste Stelle der in Breitenrichtung (Richtung der Rotationsachse der Verzahnung oder im folgenden Z-Richtung) gewölbten Mantellinie dar. Die untere Begrenzungslinie des linken Zahns 2 stellt die Mantellinie am Rand der Verzahnung 1 , in Breitenrichtung gesehen, dar. Die Wölbung der Mantellinie wird vorzugsweise durch einen Schleifvorgang aus einer klassisch geformten bzw. hergestellten Verzahnung erhalten. Es sind aber auch andere dem Fachmann bekannte Bearbeitungsverfahren anwendbar. Die Wölbung ist dabei vorzugsweise in Breitenrichtung gesehen (spiegel) symmetrisch zur Mitte der Verzahnung 1 und ist insbesondere nach außen gewölbt bzw. konvex. Durch die Strecke B-B ist in Figur 2 eine Schnittebene eingezeichnet, die in Figur 3 gezeigt und erläutert ist. Die Schnittebene B-B verläuft dabei durch den Schnittpunkt des Teilkreises der Verzahnung 1 mit der Evolvente 6 eines Zahns 2.

Demnach ist im Schnitt der Figur 3 die Flankenlinie 12 an der rechten Flanke des Zahns 2 in einer Draufsicht dargestellt. Die Strecke C-C kennzeichnet der Übersichtlichkeit halber die Mittenachse des Zahns 2, die senkrecht zur Breitenrichtung, das heißt in Dickenrichtung des Zahns 2 verläuft. Rechts unten in Figur 3 ist ein Rechteck eingezeichnet, das einen Ausschnitt kennzeichnet, der detailliert in Figur 4 dargestellt ist.

In Figur 4 ist das Ende der Flankenlinie 12, in Breitenrichtung Z gesehen, gezeigt. Die Strecke D-D kennzeichnet die Rücknahme der Flankenlinie 12 an einer ersten Stelle. Die Flankenlinie 12 ist insbesondere nach außen bzw. konvex gewölbt. Die Rücknahme der Flankenlinie 12 kann vorzugsweise durch einen Schleifvorgang erfolgen, aber auch durch andere dem Fachmann bekannte Verfahren. Die Flankenlinienmodifikation bzw. Rücknahme der Flankenlinie 12 am Rand der Verzahnung 1 , in Breitenrichtung gesehen, weist den Betrag der Strecke E-E auf. Die Maße in der Zeichnung sind hier als rein schematisch zu verstehen. Die Rücknahme der Flankenlinie am Rand der Verzahnung 1 in Breitenrichtung kann bevorzugt zwischen 3% und 20% der Dicke eines Zahns 2 einer Gradverzahnung betragen, bzw. zwischen 3% und 20% der Dicke am Punkt der maximalen Dicke des Zahns 2 auf Höhe des Teilkreises liegen.

Insgesamt gesehen ist die Rücknahme der Flankenlinie in Figur 4 am Rand der Verzahnung 1 in Breitenrichtung gesehen jedoch stärker als lediglich durch die Strecke E-E gekennzeichnet. Die weitere, dargestellte Rücknahme in Bezug auf den in diesem Fall gradverzahnten Zahn 2, ist durch eine optionale Schränkung, das heißt durch eine Verdrillung des Zahns 2, erfolgt. Eine solche Schränkung eines Zahns lässt sich durch eine Profilwinkeländerung φ in Richtung der Z-Richtung bzw. der Flanke des Zahns 2 beschreiben. Beispielhafte Details für eine solche Schränkung sind im Diagramm der Figur 5 aufgetragen. Figur 5 zeigt den, vorzugsweise parabolischen, Verlauf einer Schränkung in Z- Richtung. Dabei ist die Profilwinkelabweichung φ in der Einheit Grad gegen die Breite der Verzahnung 1 in Z-Richtung aufgetragen. Die Zahlen an der Z-Achse sind nur als Beispiel für eine Breite einer Verzahnung 1 von 1 10 zu verstehen, wobei die Streckeneinheit ein beliebiges Längenmaß darstellt. Ersichtlich ist, dass die Profilwinkelabweichung in der Mitte der Verzahnung 1 in Breitenrichtung gesehen nahezu gleich Null ist und an den Rändern der Verzahnung 1 am stärksten ausfällt. In diesem Beispiel ca. 0,5° am Rand. Es sind aber auch andere Größen von Schränkungen denkbar, wie zum Beispiel Schränkungen mit einer maximalen Profilwinkelabweichung φ zwischen 0,3° und 1 ,5°.

Sämtliche oben genannte Zahlenwerte gelten insbesondere für Auslenkwinkel zwischen der Verzahnung 1 und einer zweiten Verzahnung, vorzugsweise einer Innenverzahnung, zwischen 0° und 5° und besonders vorteilhaft zwischen 2° und 5°. Die zweite Verzahnung kann dabei direkt mit ihrer Rotationsachse auf der Achse einer Walze liegen. Außerdem kann die zweite Verzahnung direkt in die Walze integriert sein oder auch in einem Treffer liegen, der mit einem Walzenzapfen einer Walze verbindbar oder verbunden ist, wobei seine Rotationsachse vorzugsweise mit der der Walze übereinstimmt. Solch ein Treffer ist verbindet dann, wie allgemein üblich, die Walze mit der Antriebsspindel.

Die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Verzahnung 1 ist vorzugsweise eine Gradverzahnung, d. h. vorzugsweise nicht schräg verzahnt. Gleiches gilt für die zweite Verzahnung, die vorzugweise durch eine Innenverzahnung gebildet ist.

Insbesondere kann die Verzahnung 1 in einer Antriebsspindel zum Antrieb einer Walze angeordnet sein, welche in einem Walzwerk einer Stranggussanlage oder einer anderen Bandprozesslinie vorgesehen ist. Der Aufbau solcher Antriebsspindeln ist allgemein bekannt. Die Verzahnung 1 kann einstückig mit einer Antriebsspindel ausgebildet sein oder auch an der Antriebsspindel montiert sein.

Die in Fig. 6 gezeigte Vorrichtung zum Antrieb von zwei zusammenwirkenden Walzen 13 eines Walzwerks umfasst für jede der Walzen 13 eine Ausgangswelle eines (nicht dargestellten) Motors oder Motorgetriebes 14, wobei zwischen den Walzen 13 und den Ausgangswellen 14 jeweils eine Zwischenwelle 15 angeordnet ist. Die Zwischenwelle 15 hat an jeden Ende eine erfindungsgemäße Verzahnung 16, 17. Dabei greift die eine Verzahnung 16 nach Art einer Steckverzahnung in eine Innenverzahnung 18 der Walze 13 ein, und die andere Verzahnung 17 greift in eine Innenverzahnung 19 der Ausgangswelle 14 ein. Die Zwischenwelle ist dabei jeweils gegenüber der Walze 13 als auch gegenüber der Ausgangswelle 14 gewinkelt angeordnet. Insgesamt wird hierdurch ein erheblich größerer Abstand der Ausgangswellen 14 bzw. der Motoren und/oder Getriebe voneinander ermöglicht, als es dem parallelen Abstand der Achsen der Walzen 13 entspräche.

Die Innenverzahnungen 18 der Walzen 13 sind erkennbar als Geradverzahnungen ausgebildet, wobei je nach Anforderungen auch eine erfindungsgemäße Geradverzahnung vorliegen kann, also die Profillinien im Kopfbereich und/oder Fußbereich zurückgenommen sein können.

Die Innenverzahnungen 18 ermöglichen eine Verlagerung der eingreifenden Verzahnungen 16 der Zwischenwellen 15 in axialer Richtung um einen maximalen Hub, wodurch eine an sich bekannte axiale Verschiebung der Walzen 13 während des Walzvorgangs ermöglicht ist.

Alle oben genannten Merkmale können beliebig miteinander kombiniert werden. Darüberhinaus können konstruktive Einzelheiten vom Fachmann auch in abgeänderter Form gestaltet werden.

Bezugszeichenliste

5 1 . Verzahnung

2. Zahn

3. Zahnlücke

4. Zahnfuß

5. Zahn köpf

10 6. Evolvente

7. Umriss des zurückgenommenen Zahnkopfes

8. Umriss des zurückgenommenen Zahnfußes

9. Radius der Zahnfußrücknahme

10. Radius der Zahnkopfrücknahme

15 1 1 . Schnittpunkt des Teilkreises mit der Evolvente

12. Flankenlinie

13. Walze

14. Ausgangswelle

15. Zwischenwelle

20 16. Verzahnung

17. Verzahnung

18. Innenverzahnung

19. Innenverzahnung

25

A-A Zahnkopfrücknahme am Kopfkreis

B-B Schnitt durch einen Zahn

C-C Mittellinie der Verzahnung in Richtung der Zahndicke

30 D-D erster Betrag einer Flankenlinienrücknahme

E-E zweiter Betrag einer Flankenlinienrücknahme Eingriffswinkel

Profilwinkelabweichung

Breitenrichtung der Verzahnung