DE69514654T2

DE69514654T2 - Getriebe mit zwei kämmenden Zahnrädern mit verstellbarem Achswinkel

Info

Publication number: DE69514654T2
Application number: DE69514654T
Authority: DE
Inventors: Keith E. Gleasman; Vernon E. Gleasman
Original assignee: Torvec Inc
Current assignee: Torvec Inc
Priority date: 1994-06-02
Filing date: 1995-05-23
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2015-05-24
Also published as: AU681528B2; US5613914A; US5878492A; DE69514654D1; CN1156499A; MX9605859A; JPH09508694A; CN1113173C; KR970703501A; US5647802A; ES2144129T3; JP3193056B2; CA2191701C; WO1995033936A1; KR100236819B1; EP0760064B1; BR9507908A; EP0760064A4; AU2647095A; CA2191701A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft Zahnräder und Universalgelenke konstanter Geschwindigkeit (Doppelgelenke); insbesondere betrifft sie Zahnradsysteme zur direkten Verbindung zweier Wellen, sodass Drehung von der antreibenden auf die angetriebene Welle übertragen wird, während gleichzeitig der Schnittwinkel zwischen den Wellenachsen von der 180º-Ausrichtung über einen relativ breiten und kontinuierlichen Winkelbereich (z. B. ± 40º) variieren kann.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Jahrhunderte lang wurden innere und äußere Zahnräder und Stirnrädergetriebe dazu verwendet, Wellen auf ausgerichteten und parallelen Achsen miteinander zu verbinden, während Kegelradgetriebe dazu dienten, Drehkräfte zwischen Wellen mit Achsen zu übertragen, die einander in fixen Winkeln schneien, die sich über den vollen Bereich von 90º bis 180º erstrecken. In diesem Jahrhundert wurden Hypoidkegelräder entwickelt, um das gleiche Ziel mit Wellen zu erfüllen, die einander nicht nur über den vollen Bereich breiter Winkel schneiden, sondern deren Achsen auch versetzt sind (d. h. einander nicht schneiden). Für solche bekannten inneren und äußeren Stirnrädergetriebe ist die Wellenausrichtung eine absolute Notwendigkeit; bekannte Kegelrad- und Hypoidkegelradpaare sind spezifisch nur für einen vorbestimmten Winkel zwischen den Achsen der Zahnräder ausgelegt.
Es gibt jedoch eine bekannte spezielle Kupplungs- und Gelenksverbindungen zum Ausgleich geringer Wellenfehlausrichtungen, wenn Kräfte zwischen ausgerichteten Achsen übertragen werden, die während des Betriebs kleine Winkelveränderungen erfahren müssen. Beispielsweise ist es bekannt, Doppelreihen-Stirnrädergetriebe in Nylonmuffen für Kupplungswellen zu verwenden, die geringen relativen Bewegungen in paralleler Versetzung (z. B. 0,040 Zoll/l mm) oder geringer Winkelfehlausrichtung (z. B. < 1º) ausgesetzt sind. Für jedes signifikante Ausmaß an Winkelveränderung (z. B. > 1º) zwischen den Achsen muss jedoch eine neue Gruppe kämmender Zahnräder konstruiert und gefertigt werden, um die richtige Kupplung und Übertragung der Drehkräfte zu gewährleisten.
Natürlich gibt es bekannte Nicht-Zahnrad-Mittel zur Übertragung von Drehbewegung zwischen Wellen, die Winkelveränderung erfahren. Die bekannteste dieser Vorrichtungen sind wahrscheinlich Universalgelenke zur Verbindung der Antriebswellen und Radachsen von Automobilen. Solche Universalgelenke sind häufig in Form zweier kleiner schneidender Achsen ausgelegt, die durch ein jeweiliges Joch gehalten werden. Die durch ein solches Joch und Achsgelenke verbundenen Wellen drehen sich allerdings während der gesamten Umdrehung nicht mit der gleichen Rotationsrate. Daher wurden Gelenke konstanter Geschwindigkeit bzw. Doppelgelenke ("CV-Gelenke") entwickelt (z. B. von Rzeppa und Birfield), bei denen die Verbindungspunkte zwischen den abgewinkelten Wellen durch Rollkugeln gebildet werden, die während der Umdrehung der antreibenden und angetriebenen Welle in einzelnen Spuren vor- und zurückrollen, um ihre jeweiligen Mittelpunkte immer in einer Ebene zu halten, die den zwischen den Wellen gebildeten Wälzwinkel in die Hälfte schneidet.
Solche Universal- und CV-Gelenke sind recht komplex und relativ schwierig zu schmieren, wobei die Konstruktion und Fertigung solcher Gelenkskomponenten allgemein als sehr spezialisiertes Gebiet von großer Bedeutung für die weltweite Autoindustrie gilt. Obwohl auf dem Gebiet der CV-Gelenke sehr große Fortschritte erzielt wurden, sind die Gelenke teuer und umfassen zahlreiche schwierig zu fertigende Teile; außerdem sind solche Gelenke hinsichtlich der Drehgeschwindigkeiten, die sie übertragen können, und der Winkel, über die sie betrieben werden können, eingeschränkt. Ferner werden die von solchen Gelenken erzielten Drehgeschwindigkeiten durch die Trägheit der Rollkugeln eingeschränkt, deren Bewegung sich während jeder Umdrehung umkehren muss.
Die vorliegende Erfindung ist in jedem Fachgebiet, in dem Bewegung zwischen Achsen übertragen wird, die einander während des Betriebs in variablen Winkeln schneiden, von großem potentiellem Nutzen; wie dies aus den weiter unten geoffenbarten spezifischen Ausführungsformen ersichtlich ist, eignet sich die Erfindung insbesondere für das Gebiet von CV-Gelenken, wo sie die Grundlage für eine deutliche Vereinfachung und Verbesserung der Auslegung von CV-Gelenken schafft.
Betreffend den Stand der Technik offenbart GB-A-1112283 eine Kupplung, die die Verwendung von Rollkugeln vermeidet, indem ein Zahnrad eines konzentrischen Paars von Zahnrädern mit kämmenden Zähnen mit krummlinigen Stirnflächen verwendet wird. Diese greifen jedoch in ein zweites "Zahnrad" in Form einer zylindrischen Muffe mit Innenrippen ein.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnradsystem und eine Universalkupplung mit neuartigen Getriebeformen zur direkten Verbindung zweier Elemente wie z. B. Wellen solcherart, dass Drehung von der antreibenden Welle auf die angetriebene Welle übertragen wird, während gleichzeitig der Schnittwinkel zwischen den Wellenachsen ("Wellenwinkel") über einen breiten und kontinuierlichen Bereich variieren kann, der sich auf jeder Seite von 180ºC (d. h. auf jeder Seite der Position, wo sich die Achsen entweder in paralleler Ausrichtung befinden oder zusammenfallen) bis zu einem bevorzugten maximalen Winkel erstreckt, der von 180º um mehr als 2º differiert (z. B. 40º). Der Ausdruck "bevorzugter maximaler Winkel" bezieht sich hierin auf jeden Winkel (der von 180º in beiden Richtungen differiert), bis zu dem die Wellen einander schneiden können müssen, um Drehkräfte in der jeweiligen Anwendung des Zahnradsystems zu übertragen. Wenn beispielsweise der bevorzugte maximale Winkel 40º wäre, wäre die mögliche Gelenkverbindung bis zu 40º auf jeder Seite der 180º- Ausrichtungsposition; dies würde es den Wellen ermöglichen, relativ zueinander über einen vollen Bereich von 80º winkelmäßig eingestellt zu werden, während sie Drehkräfte übertragen.
Gemäß der Erfindung besitzt jedes Zahnradpaar Zähne, wobei beide Stirnflächen davon zumindest einen Mittelabschnitt aufweisen, der in Blickrichtung der Wälzfläche des Zahnrads ein Kreisbogen ist; die Wälzkreise der Zahnräder beschreiben mit der Variation des Winkels zwischen der Achse der Zahnräder Kreise, die Großkreise auf einer Wälzkugel sind.
Die Kupplung der Erfindung verwendet im Wesentlichen ein einziges Paar der Zahnräder, um konstante Geschwindigkeit zwischen zwei Wellen zu übertragen, wobei der Winkel zwischen den Wellen während des Betriebs variieren kann. In der bevorzugtesten Ausführungsform können die Wellenachsen relativ zueinander um einen gemeinsam Schwenkpunkt in jeder beliebigen Ebene gelenkig verbunden sein; dies erfolgt durch eine Auslegung, in der die Wälzkreise der zwei Zahnräder identische Größe aufweisen und immer als Großkreise auf der gleichen Wälzkugel bleiben. Wie dies in der Kugelgeometrie axiomatisch ist, schneiden solche Großkreise einander an zwei Punkten, und das Paar von Kugelzweiecken auf der Oberfläche der Kugel zwischen den einander schneidenden Großkreisen (d. h. zwischen den Wälzkreisen der Zahnräder) schreiben um die Kugeloberfläche eine Bernoullische Lemniskate ("Achterfigur") ein. Die Anmelder gehen davon aus, dass sich die zwei Wellen mit konstanter Geschwindigkeit drehen, da die relative Bewegung der Zahnkontaktpunkte zwischen den kämmenden Zahnrädern jeweilige Bernoullische Lemniskaten in allen relativen Winkeleinstellungen der Zahnradwellen einschreibt.
Wie bereits erwähnt, sind in der nachstehenden Erklärung der Konstruktion der kämmenden Zähne der erfindungsgemäßen Zahnräder die identischen Wälzkreise jedes konzentrischen Zahnrads theoretisch Großkreise auf der gleichen Wälzkugel. Um jedoch die relative Bewegung zwischen den Zahnrädern zu berücksichtigen, muss jedes Zahnrad des Paars natürlich seine eigene theoretische Wälzfläche aufweisen. Daher sollte man davon ausgehen, dass jedes Zahnrad seine theoretische Wälzfläche auf einer jeweiligen eines Paares von Wälzkugeln besitzt, die konzentrisch sind und Radien aufweisen, die im Wesentlichen identisch sind, während sich jede Wälzkugel drehen kann. Die Wälzkreise dieser zwei jeweiligen Zahnräder schneiden einander an zwei Punkten in einer Entfernung von 180º (d. h. an zwei "Polen"), und die Rotationsachsen der zwei jeweiligen Wälzkugeln schneiden einander zu jedem Zeitpunkt und in allen Schnittwinkeln in den zusammenfallenden Mittelpunkten der zwei Wälzkugeln.
Zu diesem Zweck verwenden die Anmelder ein erstes Zahnrad mit Innenzähnen mit vorbestimmtem Wälzkreis und kämmen es dann mit einem zweiten Zahnrad mit Außenzähnen und einem gegenüber dem ersten Zahnrad identischen Wälzkreis. Die Zahnräder mit kämmenden Zähnen, die in zwei um jeden Pol mittig angeordneten Bereichen ineinandergreifen, drehen sich - da ihre Wälzkreise die gleiche Größe aufweisen - in einem Verhältnis von 1 : 1.
Die Erfindung verfolgt auch das Ziel, Drehbewegung unter Verwendung zweier Außenzahnräder in einem Verhältnis von 1 : 1 zu übertragen oder Drehbewegung in einem anderen Verhältnis als 1 : 1 zu übertragen. In geoffenbarten Ausführungsformen der letzteren Art teilen die tatsächlichen Wälzkreise der Zahnräder einen Tangential punkt, wobei der kleinere der zwei Kreise entweder innerhalb oder außerhalb des größeren Kreises positioniert ist. In diesen Ausführungsformen teilen die Zahnräder jedoch nur einen einzigen Eingriffsbereich (ähnlich wie herkömmliche Innen- oder Außenzahnrad-Anordnungen); natürlich befinden sich die Achsen der Zahnräder in parallelen Ebenen, sodass die variablen Schnittwinkel zvvischen den Achsen durch Projizieren einer Ebene auf die andere gemessen werden.
Zur Verwendung mit den gerade beschriebenen Ausführungsformen des Zahnradsystems mit variablem Winkel sind vier unterschiedliche Zahnradauslegungen geoffenbart - eine Kreis/Tangenten- ("CT-") Auslegung, eine Kreis auf-Raute- ("CD-") Auslegung, eine "Kugelzweieck"-Auslegung und eine Kugelzweieck/Inverskurven- ("L/IC-") Auslegung, von denen alle nachstehend ausführlich beschrieben sind. Alle diese Auslegungen ermöglichen es den Achsen der Zahnräder, in einem Bereich von Winkeln, die auf jeder Seite von 180º bis zu einem bevorzugten maximalen Winkel reichen, einander variabel zu schneiden, wobei sie alle ein gemeinsames Merkmal aufweisen: Zumindest der Mittelabschnitt der längsgerichteten Zahnoberfläche jedes kämmenden Zahns ist in Blickrichtung der Wälzfläche seines Zahnrads ein Bogen eines Einzelkreises mit einem Durchmesser, der solcherart ausgewählt ist, dass beim Drehen der Zahnräder in antreibender und angetriebener Beziehung die einander schneidenden Achsen kontinuierlich durch diesen bevorzugten Bereich von Winkeln variiert werden können. Für jedes der Zahnräder ist somit seine jeweilige "Wälzfläche" eine Wälzkugel.
In der CT- und CD-Auslegung (und in einem Zahnrad des Paars in der L/IC- Kombination) ist nur der Mittelabschnitt jedes Zahns in Blickrichtung der Wälzebene mit dem Bogen eines Einzelkreises ausgebildet; in der Kugelzweieck-Konstruktion hingegen ist die gesamte längsseitige Krümmung jeder Zahnfläche der Bogen eines Einzelkreises.
In den bevorzugten Auslegungen der erfindungsgemäßen Zahnräder ist ein Diametral Pitch folgendermaßen ausgewählt: Wenn die Zahnradachsen zueinander im bevorzugten maximalen Winkel geneigt sind, greifen zwei oder mehr der kämmenden Zähne jedes Zahnrads gleichzeitig in jedem der Eingriffsbereiche zwischen den Zahnrädern ineinander ein. Wie in herkömmlichen Getriebeauslegungen ist die Zahndicke ausgewählt, um sicherzustellen, dass erwartete Lasten zuverlässig durch die ineinandergreifenden Zähne übertragen werden.
In der CT- und CD-Auslegung sind die Mittelabschnitte beider Zahnflächen jedes kämmenden Zahns in Blickrichtung in einer Wälzebene jeweilige Bögen, die die gegenüberliegenden Seiten eines Einzelkreises mit vorbestimmtem Durchmesser bilden.
In der Kugelzweieck-Auslegung wird der Bogen, der die gesamte längsseitige Krümmung jeder Zahnfläche bildet, auch von einem Einzelkreis mit vorbestimmtem Durchmesser eingenommen. In der Kugelzweieck-Auslegung jedoch ist der Kreis identisch mit einem bestimmten auf der Oberfläche einer bestimmten Kugel ausgebildeten Kreis, und sein Durchmesser begrenzt einen Winkel, der gemessen vom Kugelmittelpunkt dem maximalen erwünschten Schnittwinkel zwischen den Zahnradachsen entspricht. Die Kugelzweieck-Auslegung für 1 : 1-Anordnungen ist ein Kreis auf der Kugel, auf der die Wälzkreise jedes Zahnrads Großkreise sind; für andere Anordnungen als 1 : 1 ist der Kreis auf der größeren der zwei einander schneidenden Kugeln ausgebildet.
Die CT-, CD- und L/IC-Auslegungen sind für Ausführungsformen vorzuziehen, in denen die Zahnräder in beiden Richtungen antreiben oder angetrieben werden können, da die CT-, CD- und L/IC-Zähne zufriedenstellend und ohne Zahnspiel funktionieren (d. h. nur mit minimaler Montagetoleranz). Im Gegensatz dazu greifen die Kugelzweieckzähne nur dann ohne Zahnspiel ineinander ein, wenn die Achsen der Zahnräder einander im maximalen erwünschten Winkel schneiden. Das Zahnspiel zwischen den Kugelzweieckzähnen steigt bis auf ein Maximum an, wenn die Wellenachsen in 180º ausgerichtet sind. Daher ist die Kugelzweieck-Auslegung unpraktisch, wo ein großes Zahnspiel zu Betriebsproblemen führen würde.
Für 1 : 1-Anordnungen können die Zähne der Zahnräder mit geradseitigen Profilen zwischen oberen und unteren Stegen versehen sein, da (a) die kämmenden Zähne sich relativ zueinander nicht "wälzen", sondern ähnlich wie Hypoidkegelräder miteinander in Gleitkontakt stehen und (b) die geraden Zahnseiten das Kontaktmuster auf den kämmenden Zähnen verlängern. Wie dies aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich ist, wäre ein Evolventenprofil für die CT-, CD- und L/IC- Auslegungen relativ ungünstig.
Das Evolventenprofil ist jedoch für die Kugelzweieck-Auslegung relativ gut geeignet, und es ist für andere Anordnungen als 1 : 1 erforderlich, da die Zähne sich in bezug aufeinander wälzen sowie auch aneinander vorbeigleiten müssen. Darüber hinaus kann das Evolventenprofil in bestimmten 1 : 1-Anordnungen, in denen die Zahnräder keine Drehbewegung übertragen, sondern lediglich schwanken, wünschenswert sein.
Die grundsätzlichen Zahnkonstruktionen der Erfindung sind mit verschiedenen Anwendungen der Erfindung in neuen CV-Gelenksstrukturen geoffenbart, die Merkmale aufweisen, die einen breiten Bereich winkeliger Gelenksverbindungen in allen Ebenen mit deutlicher Größen- und Gewichtsreduktion sowie Leichtigkeit der Schmierung kombinieren.

ABBILDUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische und teilweise im Querschnitt dargestellte Ansicht eines Zahnradpaars gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zur Übertragung von Drehkräften in einem Verhältnis von 1 : 1 zwischen einem auf einander variabel schneidenden Achsen ausgerichteten Achsen paar, wobei die Zahnräder innerhalb jeweiliger Stützrahmen montiert sind und die jeweiligen Wellen mit ihren Achsen in 180º-Ausrichtung dargestellt sind.
Fig. 2 ist eine symbolische Teilansicht nur der Zahnrad- und Wellenabschnitte des Zahnradsystems von Fig. 1, aus der jedoch die Achsen der Zahnräder ersichtlich sind, die einander in einem bevorzugten maximalen Winkel schneiden.
Fig. 3A, 3B und 3C sind schematische Darstellungen der relativen Bewegung zwischen Gruppen von Zahnkontaktpunkten auf den Wälzflächen eines Paars sich drehender kämmender Zahnräder, die in der allgemein in Fig. 2 dargestellten Weise angeordnet sind.
Fig. 4 ist eine graphartige Darstellung der relativen Bewegung zwischen einer der jeweiligen Gruppen von Zahnkontaktpunkten, die in Fig. 3A, 3B und 3C gezeigt sind.
Fig. 5A ist eine schematische Darstellung eines Teils des Paars kämmender Zahnräder von Fig. 1, aus der die Zahnräder mit ihren jeweiligen in einem Winke(von 180º ausgerichteten Achsen und der projizierte Sehnenmittelpunktabstand zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen auf dem Wälzkreis jedes Zahnrads ersichtlich sind;
Fig. 5B ist eine schematische Darstellung eines Teils des gleichen Paars an Zahnrädern, die einander wie in Fig. 2 variabel in einem ausgewählten bevorzugten maximalen Winkel x schneiden, wobei ihre ineinandergreifenden Zähne in einer modifizierten flachen Projektion gezeigt sind, während die Zahnräder um ihre jeweiligen Achsen rotieren.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der Teilkontur der ineinandergreifenden Zähne eines Zahnradpaars gemäß der Erfindung in der radialen Mittelebene der Zahnräder mit in einem Winkel von 180º ausgerichteten Achsen.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der Kontur eines Zahnradzahns gemäß der CT- Auslegung der Erfindung, wobei die Kontur in einer Wälzebene ihres Zahnrads dargestellt ist.
Fig. 8A, 8B und 8C sind schematische Darstellungen der Konturen der ineinandergreifenden Zähne eines Zahnradpaars der CT-Auslegung der Erfindung, wobei die Konturen in modifizierten flachen Projektionen dargestellt sind und das Paar mit seinen einander im bevorzugten maximalen Winkel x schneidenden Achsen dargestellt ist; Fig. 8A stellt einen ersten der ineinandergreifenden Bereiche des Zahnradpaars dar, während Fig. 8B den zweiten ineinandergreifenen Bereich zum gleichen Zeitpunkt veranschaulicht; Fig. 8C stellt den zweiten ineinandergreifenden Bereich wie in Fig. 8B dar, nachdem die Zahnräder jeweils über eine weitere Entfernung von 3/4 des Circular Pitch gedreht wurden.
Fig. 9A und 9B zeigen geometrische Konstruktionen zur Bestimmung der Zahnform eines Zahnradpaars gemäß der CD-Auslegung der Erfindung.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung der Konturen der ineinandergreifenen Zähne eines Zahnradpaars gemäß der CD-Auslegung der Erfindung, wobei die Konturen in modifizierten flachen Projektionen dargestellt sind.
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung der ineinandergreifenden Zähne eines weiteren Zahnradpaars gemäß einer weiteren Ausführungsform, die auf die CT- oder CD-Auslegung der Erfindung anwendbar ist, wobei die ineinandergreifenden Zähne in Kontur in modifizierten flachen Projektionen dargestellt sind.
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung des sehr geringen Kopfrücknahme-Freiraums, der auf Zähnen der CD- und CT-Auslegung erforderlich ist, wobei die gezeigte Kopfrücknahme in der Darstellung stark vergrößert ist.
Fig. 13A und 13B sind schematische Darstellungen der Zahnradzähne, die gemäß der Kugelzweieck-Auslegung der Erfindung geformt sind; Fig. 13A zeigt die geometrische Konstruktion zur Bestimmung des Kreisbogens, der die längsseitige Krümmung jeder Zahnfläche bildet, und Fig. 13B zeigt zwei Gruppen ineinandergreifender Zähne, während sich die Zahnräder um jeweilige Achsen drehen, die einander variabel in einem ausgewählten maximalen Winkel schneiden, wobei die Konturen der Zahnradzähne wiederum in modifizierten flachen Projektionen dargestellt sind.
Fig. 14A und 14B sind schematische Darstellungen der Konturen der ineinandergreifenden Zähne eines Zahnradpaars gemäß der L/IC-Auslegung der Erfindung, wobei die Konturen in modifizierten flachen Projektionen des Paars gezeigt sind; in Fig. 14A schneiden einander die Achsen der Zahnräder in einem bevorzugten maximalen Winkel, während einander in Fig. 14B die Achsen in einem Winkel von 20º schneiden.
Fig. 15 ist eine schematische und teilweise im Querschnitt dargestellte Ansicht einer ersten Ausführungsform eines CV-Gelenks der Erfindung.
Fig. 16 ist eine schematische und teilweise im Querschnitt dargestellte Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen CV-Gelenks, wobei diese Ausführungsform zur Verwendung bei hoher Geschwindigkeit und hohem Drehmoment vorzuziehen ist.
Fig. 17 ist eine schematische Darstellung zweier CV-Gelenke, die jenem von Fig. 15 ähneln und in einer gelenkig verbundenen Antriebswellenanordnung enthalten sind.
Fig. 18 ist eine schematische Darstellung eines CV-Gelenks, das jenem von Fig. 15 ähnelt und in einer gelenkten Antriebsachse eines Fahrzeugs enthalten ist.
Fig. 19 ist eine schematische und teilweise im Querschnitt dargestellte Darstellung eines sich drehenden CV-Gelenks, das jenem von Fig. 15 ähnelt, wobei das Gelenk in der Zeichnungsebene gelenkig verbunden ist und einen Einkapselungsschuh und Schmierflüssigkeit enthält.
Fig. 20A und 20B sind schematische Darstellungen zweier Ansichten einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zahnradsystems in einer Anordnung zur Übertragung von Drehkräften in einem anderen Verhältnis als 1 : 1, wobei Fig. 20A eine Draufsicht eines Innen/Außen-Zahnradpaars ist, das auf Wellen getragen wird, die einander in einem Winkel von weniger als 180º schneiden, und Fig. 20B eine Endansicht nur der Zahnräder des gleichen Paars ist, wenn ihre jeweiligen Wellen in einem Winkel von 180º ausgerichtet sind.
Fig. 21 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnung des erfindungsgemäßen Zahnradsystems zur Übertragung von Drehkräften in anderen Verhältnissen als 1 : 1, wobei diese Ausführungsform nur auf Außengetriebe anwendbar ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Zahnradsystem

Fig. 1 bis 5B zeigen verschiedene Merkmale eines Zahnradpaars einer ersten Ausführungsform der Erfindung zur Verbindung eines Paars rotierender Wellen. In Fig. 1, die eine schematische und teilweise im Querschnitt dargestellte Ansicht dieser ersten Ausführungsform ist, ist ein an einer schalenförmigen Stütze 12 befestigtes Innenzahnrad 10 mittels Keilwellennut mit einer Welle 14 verbunden, die in einem Achslager 16 eines Trägers 26 gehalten ist. Ein kämmendes Außenzahnrad 20 ist zur Drehung mit der Nabe 22 einer zweiten Welle 24 befestigt, wobei die letztere in einem Gehäuse 18 zur Drehung in einem geeigneten Lager 28 getragen ist. Der Träger 26 selbst ist mit Stiften 30 zur Drehung um die Achse 32 schwenkbar am Gehäuse 18 montiert.
In Fig. 1 sind die Wellen 14 und 24 mit ihren jeweiligen Achsen 40, 42 dargestellt, die in einer Ausrichtung von 180º positioniert sind. (Ein Abschnitt der Zähne der Zahnräder 10 und 20 ist in dieser 180º-Ausrichtung in Fig. 5A zu sehen.) In dieser Position greifen die Zähne der Zahnräder 10 und 20 in gleicher Weise ineinander wie die Zähne einer Zahnradkupplung.
Ein kugelförmiges Lager, das das Innenelement 34 und das Außenelement 36 umfasst, hält die kämmenden Zahnräder 10 und 20 in einer richtigen ineinandergreifenden Beziehung. Das Innenelement 34 ist mit dem Ende der Welle 14 verschraubt, während das Außenelement 36 zwischen der Nabe 22 und einer Lippe 38 auf dem Inneren des Zahnrads 20 gehalten wird.
Fig. 2 ist eine symbolische Darstellung nur der Zahnrad- und Wellenabschnitte des in Fig. 1 gezeigten Zahnradsystems. In Fig. 2 sind jedoch die Achsen 40, 42 der Wellen 14 bzw. 24 so dargestellt, dass sie einander in einem "bevorzugten maximalen Winkel" schneiden (d. h. in einem vorbestimmten maximalen Wellenwinkel x, bis zu dem die Wellenachsen einander variabel schneiden können, während Rotationskräfte übertragen werden).
Das Zahnrad 20 ist in durchgehenden Linien dargestellt und ist in einem Winkel x in einer ersten Richtung um die Achse 32 geschwenkt; in Phantomlinien dargestellt ist es in einem Winkel x in entgegengesetzter Richtung um die Achse 32 geschwenkt. Dies veranschaulicht den breiten Winkelschnittbereich, durch den das Zahnradpaar variabel geschwenkt werden kann, während Rotationskräfte zufrieden stellend übertragen werden. Zu jedem Zeitpunkt während einer solchen variablen relativen Winkelbewegung zwischen den Wellenachsen bleiben die Zahnräder 10 und 20 in zwei jeweiligen Eingriffsbereichen in einer ineinandergreifenden Beziehung, wobei sich der Mittelpunkt jedes Eingriffsbereichs an den zwei jeweiligen Punkten befindet, an denen die jeweiligen Wälzkreise der Zahnräder die Achse 32 schneiden.
In dieser ersten, in Fig. 1 bis 5B dargestellten grundlegenden Ausführungform funktionieren die erfindungsgemäßen Zahnräder insofern ähnlich wie bekannte Zahnradkupplungen, als sie sich nicht relativ zueinander drehen, wenn sich ihre jeweiligen Wellen in einem 1 : 1-Verhältnis drehen. Wenn aber die Winkelausrichtung ihrer jeweiligen Wellen außerhalb der 180º-Ausrichtung variabel eingestellt ist (siehe Fig. 2), bewegen sich die Zähne der Zahnräder kontinuierlich in und aus dem Eingriff, obwohl sich die Zahnräder immer mit gleicher Geschwindigkeit drehen.
Diese relative Bewegung der Zähne der Zahnräder 10, 20 in und aus dem Eingriff ist schematisch in Fig. 3A, 3B und 3C dargestellt, die jeweils drei unterschiedliche Positionen relativer Zahnraddrehung um die Achsen 40, 42 zeigen, wenn die Achsen 40, 42 einander in einem bevorzugten maximalen Winkel x schneiden. Fig. 3A, 3B und 3C zeigen die relative Vorwärtsbewegung vier unterschiedlicher jeweiliger Gruppen von Zahnkontaktpunkten, während sich die kämmenden Zahnradzähne in und aus dem Eingriff bewegen.
In Fig. 3A steht der Zahnkontaktpunkt A auf dem Innenrad 10 mit dem Zahnkontaktpunkt A' auf dem Außenzahnrad 20 in Eingriff; gleichzeitig steht der Zahnkontaktpunkt C auf dem Innenzahnrad 10 mit dem Zahnkontaktpunkt C' auf dem Außenzahnrad 20 in Eingriff. Fig. 3B zeigt die gleichen Zahnkontaktpunkte auf jedem Zahnrad, nachdem die Zahnräder in einem Verhältnis von 1 : 1 eine Vierteldrehung gedreht wurden, wobei die Zahnradzahn-Kontaktpunkte D und B des Zahnrads 10 und die Punkte D' und B' des Zahnrads 20 nun in Eingriffskontakt stehen. Nach einer weiteren Vierteldrehung (siehe Fig. 3C) befinden sich die Zahnkontaktpunkte A, A' und C, C' wieder in Eingriff, doch an einer relativen Position 180º von ihrer ursprünglichen in Fig. 3A gezeigten Kontaktposition.
Die in Fig. 3A, 3B und 3C gezeigten Zahnkontaktpunkte befinden sich alle auf den Wälzkreisen ihrer jeweiligen Zahnräder; geometrisch sind diese Wälzkreise jeweils Großkreise der gleichen Kugel. Alle Großkreise schneiden einander an zwei Positionen im Abstand von 180º. Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der relativen Bewegung zwischen einer der jeweiligen Gruppen an Zahnkontaktpunkten der Fig. 3A, 3B und 3C, wobei die Bewegung von Zahnkontaktpunkten A, A' entlang ihrer jeweiligen Wälzkreise 10', 20' während der Ausführung einer vollen Umdrehung durch die Zahnräder 10, 20 nachgezeichnet wird. Obwohl die jeweiligen Wälzkreise in flacher Projektion gezeigt sind, erkennt man, dass jeder Zahnkontaktpunkt ein Muster nachzeichnet, das einer Bernoullischen Lemniskate ähnelt ("Achterfigur auf der Oberfläche einer Kugel"); wie dies aus dem Gebiet von Universalgelenken allgemein bekannt ist, ist eine solche Lemniskaten-Bewegung wichtig, wenn konstante Geschwindigkeit zwischen zwei Gelenkswellen übertragen wird.
Wie oben angeführt, ist Fig. 5A eine schematische Darstellung eines Abschnitts des Paars kämmender Zahnräder von Fig. 1, aus der das Innenzahnrad 10 und das Außenzahnrad 20 mit ihren jeweiligen in einem Winkel von 180º ausgerichteten Achsen ersichtlich sind. In dieser Position fallen die jeweiligen Wälzkreise 10' und 20' zusammen. Auf den zusammenfallenden Wälzkreisen sind die Zahnmittelpunkte 44 und 45 der Innenzahnradzähne I&sub1; bzw. I&sub2; und die Zahnmittelpunkte 46, 47 und 48 der Außenzahnradzähne E&sub1;, E&sub2; bzw. E&sub3; zu sehen. Ferner erkennt man die projizierten Sehnenmittelpunktabstände PC zwischen aufeinanderfolgenden Zahnmittelpunkten 46, 47 und den Zahnmittelpunkten 47, 48.
Fig. 5B ist eine schematische Darstellung des gleichen Abschnitts der Zahnräder 10, 20 wie in Fig. 5A. In Fig. 5B jedoch schneiden einander die Zahnräder (wie in Fig. 2) in einem ausgewählten maximalen bevorzugten Winkel x, und die Zahnradzähne sind in modifizierten abgewickelten flachen Projektionen der Wälzkugeln jeder Gruppe an Zahnradzähnen dargestellt. Die flachen Projektionen sind solcherart modifiziert, dass der Mittelpunktabstand zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen jeder flachen Projektion gleich dem projizierten Sehnenabstand PC zwischen den Zahnmittelpunkten ist.
Bezug nehmend auf die flachen Projektionen und geometrische Ebenenkonstruktionen zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Zahnformen muss man berücksichtigen, dass das vorliegende Zahnradsystem auf Kugelgeometrie beruht. Die Projektionen auf die flachen Oberflächen der Abbildungen stellen Linien auf der Oberfläche der Kugel dar, auf der der Wälzkreis jedes Zahnrads ein Großkreis ist. Bezug nehmend auf die Darstellung der Innenzahnrad/Außenzahnrad-Kombination in Fig. 5B beispielsweise kann man theoretisch davon ausgehen, dass die abgeflachten Projektionen der Zähne der Zahnräder 10 und 20 entweder auf der Oberfläche der gleichen Wälzkugel oder auf den jeweiligen Oberflächen eines Paar jeweiliger Wälzkugeln mit im Wesentlichen gleichen Radien und zusammenfallenden Mittelpunkten liegen.
Wie aus Fig. 5B erkennbar, fällt - wenn sich die Zahnräder 10, 20 gemeinsam drehen und sich ihre jeweiligen Achsen variabel im vorausgewählten bevorzugten maximalen Winkel x schneiden - der Mittelpunkt ihres gegenseitigen Eingriffs mit der Achse 32 zusammen, um die die Zahnräder relativ zueinander schwenken, wobei die zwischen den Zahnrädern übertragene rast von zehn Zähnen geteilt wird. Während in Fig. 5B nur fünf Zähne im gegenseitigen Eingriff dargestellt sind, befinden sich - wie oben erklärt wird und aus Fig. 1 ersichtlich ist - die Zahnräder 10, 20 zu jedem Zeitpunkt um zwei Eingriffsmittelpunkte in einem Abstand von 180º gleichzeitig in Eingriff.
Es wird wieder besonders auf die Tatsache verwiesen, dass die Zahnräder 10; 20 relativ zueinander nicht so wälzen wie kämmende Stirnrädergetriebe und Schraubenradgetriebe in herkömmlichen Zahnradsystemen, und dass herkömmlich ausgelegte Zahnradzähne für das vorliegende neuartige Zahnradsystem mit variablem Winkel, für das die Anmelder spezielle Zahnradzahnauslegungen entwickelt haben, nicht in Frage kommen.

Zahnradzahn-Auslegungen

(a) Grundlegende Konstruktionselemente

Wie oben angeführt, kann das vorliegende Zahnradsystem mit variablem Winkel zur Übertragung von Drehkräften in anderen Verhältnissen als 1 : 1 verwendet werden. Eine der Hauptanwendungen der Erfindung bezieht sich jedoch auf solche 1 : 1-Anordnungen, wobei die folgende Besprechung die Konstruktion von für solche Anordnungen geeigneten Zahnradzähnen betrifft.
Bezug nehmend auf Fig. 6 ist die Teilkontur der ineinandergreifenden Zähne eines Zahnradpaars 50, 52 der Erfindung schematisch dargestellt; aus Gründen der Übersichtlichkeit ist das Außenzahnrad 52 nicht im Querschnitt dargestellt. Die Achsen der Zahnräder sind in einem Winkel von 180º ausgerichtet, und die Kontur wird als radiale Mittelebene der Zahnräder genommen. Zwei Außenzahnradzähne 54, 55 sind in vollem Eingriff mit drei Innenzahnradzähnen 56, 57, 58 dargestellt.
Man erkennt aus Fig. 6, dass die Arbeitsflächen aller Zahnradzähne gerade Seiten besitzen. Dies ist die bevorzugte Profilform. Wie oben erklärt, bewegen sich die Zahnräder - wenn ihre Achsen außerhalb der 180º-Ausrichtung positioniert sind, während sich die Zahnräder in einem 1 : 1-Verhältnis drehen - um ihre zwei geteilten Eingriffsmittelpunkte ständig in und aus dem Eingriff. Diese Bewegung bewirkt, dass die Oberflächen der ineinandergreifen Zähne übereinander gleiten, wobei dies in ähnlicher Weise vor sich geht wie der Gleitkontakt, der zwischen den ineinandergreifenden Zähnen von Hypoidkegelrädern eintritt. Die bevorzugten geradseitigen Zahnflächen schaffen eine durchgehende Linie des Gleitkontakts durch das Ineinandergreifen. Während die geradseitigen Zähne konstruiert sein können, radialen Linien 60 zu folgen, ist die Form einer Keilwellennut (angezeigt durch Linien 62) vorzuziehen.
Es gibt eine weitere Eigenschaft der Zahnradzähne der Erfindung, die durch Verwendung eines gemäß der CT-(Kreis--Tangente)-Auslegung der Erfindung ausgebildeten Zahnradzahns als Beispiel veranschaulicht wird. Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der Kontur eines CT-Zahnradzahns 64, wobei die Kontur in einer Wälzebene ihres Zahnrads dargestellt ist. Dieser CT-Zahn weist wie alle Zähne der Erfindung die folgenden grundlegenden Konstruktionsmerkmale auf: Die Mittelabschnitte 66, 67 der Arbeitsflächen des Zahns 64 auf jeder Seite seiner radialen Mittellinie 68 sind durch den Bogen eines Einzelkreises 70 ausgebildet, dessen Durchmesser solcherart ausgewählt ist, dass beim Drehen seines Zahnrads in antreibender und angetriebener Beziehung mit einem kämmenden Zahnrad der Erfindung das Schneiden der Achsen der kämmenden Zahnräder kontinuierlich von einer 180º-Ausrichtung über den gesamten Winkelbereich variiert werden kann, der sich auf jeder Seite von 180º bis zu einem vorausgewählten maximalen bevorzugten Winkel erstreckt. Die Kreisbögen, die die Mittelabschnitte der zwei Arbeitsflächen jedes CT- und CD-Zahns (und eines Zahns der kombinierten L/IC-Auslegung) darstellen, sind aus dem gleichen Kreis gebildet; während jedoch die zwei Arbeitsflächen jedes Kugelzweieckzahns auch Kreisbögen mit dem gleichen Durchmesser sind, sind sie nicht auf dem gleichen Kreis ausgebildet. Diese Merkmale sind weiter unten ausführlicher beschrieben.
Außerdem ist der Durchmesser für den erforderlichen Einzelkreis in allen Konstruktionen der Erfindung so ausgewählt, dass sichergestellt ist, dass mehr als zwei kämmende Zähne gleichzeitig um jeden der von den ineinandergreifenden Zähnen geteilten Eingriffsmittelpunkte in Eingriff stehen. Die Auswahl des Durchmessers des Einzelkreises wird gemeinsam mit anderen Parametern im folgenden Kapitel über die vier bevorzugten Zahnkonstruktionen der Erfindung beschrieben.

(b) CT-(Kreis-Tangente)-Zahnkonstruktion

Wie oben ausgeführt und am besten aus Fig. 7 ersichtlich, beginnt die Konstruktion der CT-Zahnradzähne mit der Auswahl eines Einzelkreises. Dieser erste Schritt erfolgt in einer auf dem Gebiet von Zahnrädern herkömmlichen Weise - die Größen- und Stärkespezifikationen des Zahnradpaars der Erfindung werden zunächst in Übereinstimmung mit der Anwendung bestimmt, in der das erfindungsgemäße Zahnradsystem mit variablem Winkel verwendet werden soll (z. B. als CV-Gelenk für eine Lenk/Antriebsachse in einem leichten LKW). Der Kopfhöhenkreis (maximaler Durchmesser) der Zahnräder kann durch den physischen Raum, in der das Getriebe arbeiten muss, beschränkt sein; ein Diametral Pitch ist so auszuwählen, dass die normale Sehnendicke der Zähne (d. h. die Sehnendicke jedes Zahns entlang des Wälzkreises) ausreicht, damit die maximale erwartete Last von den in Eingriff stehenden Zähnen getragen werden kann.
In dieser Hinsicht muss man sich in Erinnerung rufen, dass bei Verwendung des vorliegenden Zahnradsystems zur Übertragung von Bewegung in einem Verhältnis von 1 : 1 das Zahnradpaar der Erfindung eine doppelt so hohe Last bewältigen kann wie ein Paar herkömmlicher Zahnräder der gleichen Größe. Da die erfindungsgemäßen Zahnradpaare zwei Eingriffsbereiche teilen, deren Mittelpunkte 180º voneinander beabstandet sind, besitzen sie zweimal so viele Zähne im Eingriff wie ein herkömmliches Zahnrad der gleichen Größe; ein Diametral Pitch kann ausgewählt sein, der eine normale Sehnendicke bietet, die deutlich kleiner ist als normalerweise erforderlich.
Wieder Bezug nehmend auf Fig. 7 wird nach der Auswahl einer geeigneten Kopfhöhengröße und eines geeigneten Diametral Pitch der Einzelkreis 70 dazu verwendet, den Mittelabschnitt des Zahns zu bilden. Der Kreis 70 besitzt einen Radius R, der einen Kreis mit der erforderlichen normalen Sehnendicke D entlang der radialen Mittellinie 68 aufweist.
Als nächstes ist es vorzuziehen, die längsseitige Vorderflächenbreite jedes Zahnrads ausreichend zu verlängern, um sicherzustellen, dass mehr als zwei Zähne um jeden der zwei vom Zahnradpaar geteilten Eingriffsmittelpunkte in Eingriff stehen. Um dies zu erreichen, erfolgt eine erste Bestimmung betreffend die Winkelvariabilität, die für die jeweilige Anwendung notwendig ist. Beispielsweise benötigt ein Universalgelenk für eine LKW-Antriebswelle möglicherweise nicht mehr als 5º-10º, doch es sind möglicherweise mehr als 40º gelenkige Verbindung in einem Lenkantrieb erforderlich. Wie oben erwähnt wird diese erwünschte Winkelvariabilität hierin als "bevorzugter maximaler Winkel x" bezeichnet.
Im aus Fig. 7 ersichtlichen Beispiel wird angenommen, dass der bevorzugte maximale Winkel · 40º ist. Der Winkel x ist auf jeder Seite der radialen Mittellinie 68 (angezeigt durch die Konstruktionslinien AB und EF) markiert, sodass die Punkte A und E jeweilige Zahnflächenwinkel x (in diesem Beispiel 40º) auf jeder Seite der Mittellinie 68 der Zahnfläche 66 aufweisen, während die Punkte F und B die gleichen Zahnflächenwinkel auf der Zahnfläche 67 aufweisen.
Jede Zahnfläche 66, 67 wird dann verlängert, indem die Zahnflächen-Fortsatzabschnitte, deren Konturen durch die geraden Linien 72, 73 bzw. 74, 75 dargestellt sind, die jeweils tangential zu einem jeweiligen Zahnflächenwinkelpunkt A, E, B, F gezeichnet sind, gebildet werden. Jede Verlängerungslinie 72, 73 und 74, 75 wird jeweils von ihrem Tangentialpunkt zu einem projizierten Schnittpunkt mit der axialen Mittellinie 76 verlängert, wodurch die Konstruktion der Zahnflächen-Fortsatzabschnitte abgeschlossen ist. In der endgültigen Zahnform sind die scharfen Enden dieser Fortsatzabschnitte vorzugsweise abgefast, wie dies durch Punktlinien angezeigt ist.
Da jede Verlängerungslinie 72, 73 und 74, 75 normal auf die jeweilige zu ihrem Tangentialpunkt gezeichnete Radiallinie verläuft, erkennt man durch einfache geometrische Analyse, dass der Winkel zwischen jeder Verlängerungslinie und der Axialmittellinie 76 auch gleich x ist (in diesem Fall 40º).
Zähne, die gemäß dieser CT-Auslegung dimensioniert sind, gleiten richtig in und aus dem Eingriff, wenn die erfindungsgemäßen Zahnräder zwei Wellen in variablen Schnittwinkeln verbinden. Diese CT-Auslegung stellt auch sicher, dass in einem oder beiden der Eingriffsmittelpunkte des Zahnradpaars mehr als zwei kämmende Zähne die Last tragen werden, selbst wenn die Achsen der Zahnräder einander im maximalen bevorzugten Winkel schneiden.
Wenn der Diametral Pitch so ausgewählt ist, dass jedes Zahnrad eine ungerade Anzahl an Zähnen besitzt, stellt diese Auslegung sicher, dass mehr als zwei kämmende Zähne die Last um beide Eingriffsmittelpunkte des Zahnradpaars tragen, wenn die Zahnräder einander im maximalen bevorzugten Winkel schneiden. Dieser Zustand ist schematisch in Fig. 8A und 8B dargestellt, die die Konturen der ineinandergreifenden Zähne eines Zahnradpaars gemäß der CT-Auslegung der Erfindung darstellen, wobei die Konturen in modifizierten flachen Projektionen dargestellt sind und das Paar Achsen besitzt, die einander im bevorzugten maximalen Winkel x schneiden.
Fig. 8A zeigt einen ersten Eingriffsbereich eines CT-Zahnradpaars, das gemäß dem oben beschriebenen Verfahren konstruiert ist, während Fig. 8B den zweiten Eingriffsbereich des gleichen Zahnradpaars zum gleichen Zeitpunkt darstellt. Wiederum nimmt man für die Zwecke der Veranschaulichung hierin an, dass die Zahnradzähne für einen bevorzugten maximalen Winkel von 40º konstruiert wurden. Wie oben erwähnt, bietet dies einen Winkelbereich, der sich 40º zu jeder Seite der Position erstreckt, wo die Achsen entweder in paralleler Ausrichtung stehen oder zusammenfallen, wodurch eine gelenkige Verbindung von insgesamt 80º geschaffen wird.
In Fig. 8A positioniert sich der Mittelpunkt des Außenzahnradzahns 80 im Mittelpunkt des ersten Eingriffsbereichs, wobei der Außenzahnradzahn 80 mit dem Innenzahnradzahn 81, 82 in Kontakt steht. Zum gleichen Zeitpunkt positioniert sich im zweiten geteilten Eingriffsbereich in Fig. 8B der Mittelpunkt eines Innenzahnradzahns 83 im Mittelpunkt des Eingriffsbereichs, wobei der Innenzahnradzahn 83 mit dem Außenzahnradzahn 84, 85 in Kontakt steht. Wenn somit die durch das Zahnradpaar verbundenen Wellen einander im maximalen Winkel schneiden, teilen sechs Zahnradzähne die Last.
Fig. 8C stellt den zweiten in Fig. 8B gezeigten Eingriffsbereich zu einem Zeitpunkt dar, nachdem sich die Zahnräder jeweils über eine weitere Entfernung von drei Viertel des Circular Pitch gedreht haben. Zum in Fig. 8C gezeigten Zeitpunkt kam die radiale Mittellinie des Außenzahnradzahns 86 mit dem rechten Verlängerungsabschnitt des Innenzahnradzahns 87 in Kontakt, und die Kontaktlinie zwischen diesen zwei Zähnen beginnt mit ihrer Gleitbewegung nach rechts (siehe Abbildung) entlang der Vorderfläche des Zahns 86 und nach links entlang der Hinterfläche des Zahns 87. Gleichzeitig gleitet die Kontaktlinie zwischen den Innenzahnradzahn 87 und dem Außenzahnradzahn 85 nach links entlang der Vorderfläche des Zahns 87 und nach rechts entlang der Hinterfläche des Zahns 85.
Wie oben angeführt, stellt die Anzahl an Zähnen, die im Eingriff stehen, wenn die Wellen im bevorzugten maximalen Winkel x ausgerichtet sind, die Mindestanzahl an Zähnen im Eingriff für alle erwarteten Betriebsbedingungen dar; wenn sich die Wellen bei 180º im Wesentlichen in einen Zustand der Ausrichtung bewegen, greifen die Zähne zweier Zahnräder in kupplungsartiger Weise vollkommen ineinander ein. Wenn daher der ausgewählte Diametral Pitch und die normale Sehnendicke der Zähne ausreichen, erwartete Lasten mit der Anzahl an in Eingriff stehenden Zähnen im bevorzugten maximalen Winkel zu tragen, weist das Zahnradpaar unter weniger stark ausgeprägten Winkelausrichtungen geeignete Festigkeit auf.
Fachleuten auf dem Gebiet von Zahnrädern ist es bewusst, dass die mögliche Riefenbildung der Zahnradzahnflächen angesichts des Gleitkontakts zwischen den Zahnrädern besonders berücksichtigt werden muss. Wenn man allerdings die Möglichkeit der Riefenbildung im erfindungsgemäßen Zahnradsystem in Betracht zieht, ist zu beachten, dass (a) der Oberflächendruck auf jeden Zahn reduziert ist, da die Last von mehreren Zähnen an zwei Eingriffsmittelpunkten gleichzeitig geteilt wird und (b) die gegenüberliegenden Zahnflächen jedes Zahns an jedem der geteilten Eingriffsmittelpunkte unter Last stehen. Die Zahnflächenstrecke, die jedes Paar der ineinandergreifenden Zähne beim relativen Gleiten zueinander zurücklegt, während sie sich in und aus dem Eingriff bewegen, wird kürzer, je mehr sich der Wellenwinkel 180º nähert. Die Gleitgeschwindigkeit nimmt also mit geringerem Wellenwinkel zwischen den Zahnrädern ab, und das Potenzial des Problems der Riefenbildung sollte minimiert sein, wenn der Oberflächendruck und die Gleitgeschwindigkeit zwischen den Zahnradzähnen im bevorzugten maximalen Winkel annehmbar sind.

(c) Konstruktion der CD-(Kreis-über-Raute)-Zähne

Obwohl es andere Möglichkeiten geben kann, die Konstruktionsparameter für Zahnradzähne zu bestimmen, die sich für das erfindungsgemäße Zahnradsystem mit variablem Winkel eignen, hielten sich die Anmelder an allgemeine geometrische Konstruktionsvorgaben; diese sind für die in Fig. 9A und 9B gezeigten CD-Zähne wie folgt:
(1) ln gleicher Weise wie oben in Zusammenhang mit den CT-Zähnen erläutert, beginnt die Konstruktion von CD-Zähnen damit, dass zunächst die erforderlichen Größen- und Festigkeitsspezifikationen je nach Anwendung der Zahnräder bestimmt werden; auf dieser Basis werden die geeignete Kopfhöhengröße, der Diametral Pitch und die normale Sehendicke für die Zähne ausgewählt.
(2) Nach der anfänglichen Auswahl solcher geeigneter Grundparameter wird ein Teil des Außenzahnrads des Paars in axialer Sicht dargestellt, wie dies im rechten Abschnitt von Fig. 9A zu sehen ist. Ein Teil des Wälzkreises a und zumindest zwei Zahnmittelpunkte b und c werden konstruiert. Eine durch einen Zahnmittelpunkt b führende Radiallinie d ist ausgewählt, den Mittelpunkt eines "vorgeschlagenen Eingriffs" zu markieren, und eine abgewickelte flache Projektion a' eines Teils des Wälzkreises a des Außenzahnrads wird senkrecht zur Radiallinie d ausgelegt.
(3) Ein projizierter Zahnmittelpunkt b' wird am Schnittpunkt der Radiallinie d und des abgewickelten Wälzkreises a' markiert, um - wie oben angeführt - als Mittelpunkt des vorgeschlagenen Eingriffs zu dienen. Dann wird ein zweiter Zahnmittelpunkt c, der dem Zahnmittelpunkt b benachbart ist, vom ursprünglich konstruierten Wälzkreis a auf den abgewickelten Wälzkreis a' projiziert und als projizierter Zahnmittelpunkt c' identifiziert.
(4) Als nächstes werden die Kreise e und f um die Zahnmittelpunkte b' bzw. c' konstruiert, wobei jeder Kreis einen Durchmesser aufweist, der der normalen Zahndickensehne entspricht, die durch den in obigem Schritt (a) ausgewählten Diametral Pitch bestimmt wird. Wie dies Fachleuten auf dem Gebiet offenkundig ist, entspricht dieser Durchmesser auch einer Hälfte des projizierten Circular Pitch des Zahnrads (dargestellt durch den punktierten Kreis des gleichen Durchmessers, der auf halbem Wege zwischen den projizierten Zahnmittelpunkten b' und c' gezeigt ist).
(5) Die abgewickelte flache Projektion des Wälzkreises g des Innenzahnrads des Paars wird dann durch den Mittelpunkt b' des vorgeschlagenen Eingriffs im Winkel x gezeichnet, der so ausgewählt ist, dass er dem maximalen erwünschten Winkel des Schnittpunkts zwischen den Zahnradachsen entspricht; die zwei neuen Zahnmittelpunkte h und i werden auf dem abgewickelten Wälzkreis g markiert, wobei die Zahnmittelpunkte h und i in einer Entfernung voneinander beabstandet sind, die dem projizierten Circular Pitch entspricht, und um den Eingriffsmittelpunkt b zentriert sind. Die neuen Kreise k und m mit jeweils dem gleichen Durchmesser wie die Zahnkreise e und f werden um die Mittelpunkte h und i gezeichnet.
(6) Es wird nun auf Fig. 9B Bezug genommen, die eine Fortsetzung der projizierten Eingriffskonstruktion ist, die im linken Abschnitt von Fig. 9A begonnen hatte. Der abgewickelte Wälzkreis g stellt auch die radiale Mittellinie jedes Zahnkreises k und m dar, und der Winkel x (der dem bevorzugten maximalen Winkel des Schnittpunkts zwischen den Zahnradachsen entspricht) ist auf jeder Seite der Mittellinie g auf jeder der gegenüberliegenden Vorderflächen des Zahnkreises k markiert, wodurch zwei Zahnflächenwinkel (von xº) auf jeder gegenüberliegenden Stirnfläche des Zahnkreises k gebildet werden. Eine Sehne n wird dann zwischen den äußeren Punkten o und p der jeweiligen Zahnflächenwinkel auf einer Seite des Zahnkreises k gezeichnet und eine Halbierende q durch den Zahnmittelpunkt h und die Sehne n gebildet.
(7) Eine Linie wird vom Punkt o tagential zur Oberfläche des Zahnkreises f an r gezeichnet (endet am Schnittpunkt mit der Halbierenden q an s). Eine zweite Linie wird von Punkt s zum Punkt p am anderen Ende der Sehne n gezeichnet, und die gleichen Seiten des resultierenden gleichschenkeligen Dreiecks ops bilden die Grundform eines Verlängerungsabschnitts, der die Längsbreite des Zahnradzahns in axialer Richtung auf einer Seite des Zahnkreises k vergrößert. Die Halbierende q wird nun verlängert, um die axiale Mittellinie des Zahns zu bilden, und ein Dreieck identischer Dimensionen wird dann gezeichnet, das sich von den äußeren Punkten der jeweiligen Zahnflächenwinkel auf der gegenüberliegenden Seite des Zahnkreises k erstreckt (siehe Fig. 9B) und einen Verlängerungsabschnitt in entgegengesetzter Axialrichtung vervollständigt.
(8) Die Kontur dieser CD-Zahnform (konstruiert um den Zahnmittelpunkt k in oben geschildeter Weise) dient dann für die Form der Zähne (vom Blickwinkel in einer Wälzebene des Zahnrads) beider Zähne in einem kämmenden CD-Paar. Natürlich müssen - wie dies für Fachleute auf dem Gebiet der Zahnradauslegung und -fertigung offenkundig ist - kleinere Modifikationen für Kopfrücknahme, Freiraum, Kanten- und Oberflächenglättung usw. vorgenommen werden, obwohl der endgültige CD-Zahn im Wesentlichen diese Form aufweist.
Eine Gruppe solcher ineinandergreifender CD-Zähne ist schematisch in Fig. 10 dargestellt, wobei die Zahnräder um einen Eingriffsmittelpunkt 88 positioniert und die Achsen der Zahnräder in einem ausgewählten bevorzugten maximalen Schnittwinkel von 40º ausgerichtet sind. Bei diesem maximalen Winkel erkennt man, dass drei Innenzahnradzähne 90, 91, 92 in Kontakt mit zwei Außenzahnradzähnen 93, 94 stehen. Daher stehen wie in anderen Zahnauslegungen der Anmelder mehr CD-Zähne zu jedem Zeitpunkt in Eingriff, um erwartete Lasten zu tragen, als dies bei herkömmlichen Zahnradsystemen der Fall ist.

(d) Mögliche CT- und CD-Zahnkonstruktions-Varianten

Fig. 11 ist eine schematische Darstellung der ineinandergreifenden Zähne eines weiteren Zahnradpaars gemäß einer weiteren Formvariation, die auf die CT- oder CD- Konstruktion der Erfindung anwendbar ist. Wiederum sind die ineinandergreifenden Zähne in Kontur in flachen Projektionen dargestellt, während sich die Zahnräder um jeweilige Achsen drehen, die einander in einem ausgewählten bevorzugten maximalen Winkel variabel schneiden, wobei die flachen Projektionen in gleicher Weise modifiziert sind, wie dies oben in Zusammenhang mit Fig. 5B angeführt ist.
In dieser ungewöhnlichen Variation besitzen die jeweiligen Zahnräder des ineinandergreifenden Paars Zähne unterschiedlicher Dicke. Wiederum erfolgt die Auslegung durch konstruktive Maßnahmen, und ein Diametral Pitch ist ausgewählt, um einen Zahn minimaler Größe und normaler Sehnendicke bereitzustellen, der allerdings geeignet ist, erwartete Lasten zu tragen. In Fig. 11 beispielsweise ist ein Abschnitt der CT-Zähne eines Innenzahnrads 100 wie dargestellt in Projektion ausgelegt; man kann beispielsweise davon ausgehen, dass das Innenzahnrad 100 einen Wälzkreis von etwa 9 cm (3,5 Zoll) besitzt und anfänglich ausgewählt ist, ein 10-Wälz/36-Zahn-Zahnrad mit normaler Sehnendicke zu sein, wie dies im Einzelkreis 102 ersichtlich ist, der den Mittelpunkt eines seiner CT-Zähne bildet. Der Circular Pitch für die Zähne des Innenzahnrads 100 ist als cp angeführt.
Als nächstes wird jeder zweite Zahn aus dem Zahnrad 100 entfernt, wie dies durch die punktierte Linie dargestellt wird. Dies lässt einen Raum zwischen jedem Zahn des Zahnrads 100 zurück, der dem Dreifachen des Durchmessers des Einzelkreises 102 entspricht, während sich die verbleibenden Innenzahnradzähne 104, 105, 106 auf Mittelpunkten befinden, die das Zweifache des eingangs ausgewählten Circular Pitch betragen (d. h. 2·cp). Trotzdem behalten die Innenzahnradzähne 104, 105, 106 ihre ursprünglichen Dimensionen und Formen bei (z. B. wie in einem 10-Wälz/36-Zahn- Zahnrad).
Im nächsten Schritt dieser Ausführungsform werden die Zähne des kämmenden Außenzahnrads 108 auf Mittelpunkten konstruiert, die auch durch 2·cp getrennt sind. Bei Verwendung der oben angeführten CT-Konstruktion wird der Einzelkreis 110 (dient zur Bildung des Mittelabschnitts jedes Zahns) mit einem Durchmesser versehen, der dem Dreifachen des Durchmessers des Einzelkreises 102 entspricht, der dazu verwendet wird, den Mittelabschnitt der ursprünglichen Zähne des Innenzahnrads 100 zu bilden.
Wenn die ineinandergreifenden Abschnitte der wie oben konstruierten Zahnräder 100, 108 wie in Fig. 11 in Projektionen ausgelegt sind, wobei die Achsen der Zahnräder einander in einem ausgewählten bevorzugten maximalen Winkel x schneiden (in diesem Beispiel x = 40º), erkennt man, dass sich die unterschiedlich dimensionierten Zähne in einer kämmenden Beziehung drehen können. Auf der Grundlage der Zahnradgrößen-Parameter, die oben als Beispiel für die Zahnräder 100, 108 in Fig. 11 genannt sind, wird jedes der zwei Zahnräder ein 5-Wälz/18-Zahn-Zahnrad, doch sie behalten den gleichen Circular Pitch und die gleiche geringere Gesamttiefe bei wie das ursprüngliche 10-Wälz/36-Zahn-Zahnrad.
Man erkennt auch aus Fig. 11, dass zwei der übergroßen Außenzahnradzähne 111, 112 mit zwei Innenzahnradzähnen 105, 106 in Kontakt stehen. Daher bietet diese Variation zumindest vier kämmende Zähen für jeden Eingriff, d. h. acht Zähne, die während des normalen Betriebs zu jedem Zeitpunkt in Eingriff stehen.
Den vorliegenden CT-, CD- und L/IC-Zahnrädern ist ein weiteres Konstruktionsmerkmal gemeinsam, d. h. sie benötigen alle eine sehr geringe Kopfrücknahme für den Freiraum. In Fig. 12 ist eine solche Kopfrücknahme in stark vergrößerter Form in schematischer Perspektive dargestellt: eine Zahnstirnfläche eines Außenzahnrad-CD-Zahns 114 besitzt eine etwas abgeschrägte obere Kopfhöhe jedes ihrer jeweiligen Verlängerungsabschnitte 116, 117, wobei sich die Tiefe der Abschrägung von null an der radialen Mittellinie des Zahns bis auf ein Maximum an der Außenkante der Zahnfläche vergrößert, wenn sie auf die axiale Mittellinie des Zahns trifft. Um eine Vorstellung über das erforderliche Ausmaß an Kopfrücknahme zu geben, lässt sich Folgendes feststellen: die Zähne eines CD-Außenrads mit einem Außendurchmesser von 10 cm (4 Zoll) benötigen an ihren Außenkanten eine maximale Kopfrücknahme von etwa 0,2 mm (0,008 Zoll).
Eine solche geringfügige Kopfrücknahme kann einfach während der Fertigung des erfindungsgemäßen Zahnradsystems erzeugt werden. In einem Verfahren, in dem die Zahnräder zu einer "groben, doch fast fertigen" Form geschmiedet werden, können die grobgeschmiedeten Zahnräder durch CBN-Schleifen mit einem Endbearbeitungswerkzeug in der Form eines kämmenden Zahnrads ohne Kopfrücknahme endbearbeitet werden.

(e) Kugelzweieckzahn-Konstruktion

Das erfindungsgemäße Zahnradsystem weist eine weitere Zahnradzahn-Konstruktion auf, die leicht herzustellen und für einige Anwendungen besonders geeignet ist. Diese Konstruktion wird als "Kugelzweieck" oder "Möndchen" bezeichnet, da die Kontur der gesamten Längsfläche jeder der gegenüberliegenden Arbeitsflächen jedes Zahns durch den Bogen eines Einzelkreises gebildet wird; vom Blickwinkel der Wälzfläche des Zahnrads erscheint die Kontur der zwei Arbeitsflächen jedes Zahns wie ein Möndchen. (Geometrisch gesprochen ist das "Kugelzweieck" die Fläche, die von zwei einander schneidenden Großkreisen auf der Oberfläche einer Kugel begrenzt ist.) In der vorliegenden Erklärung der erfindungsgemäßen Kugelzweieck-Konstruktion wird auf Fig. 13A und 13B Bezug genommen.
Fig. 13A zeigt die geometrische Konstruktion, die zur Bestimmung des Kreisbogens dient, der die Längskrümmung jeder Zahnvorderfläche bildet. In gleicher Weise wie oben in Zusammenhang mit den CT- und CD-Zähnen erklärt, beginnt die Konstruktion der Kugelzweieckzähne damit, dass zunächst die erforderlichen Größen- und Festigkeitsspezifikationen gemäß der jeweiligen Anwendung des Zahnradsystems zu bestimmen sind und auf dieser Grundlage eine geeignete Kopfhöhengröße, Diametral Pitch und normale Zahndickensehne ausgewählt werden. Mit dieser Information erfolgt eine einfache Konstruktion eines radialen Querschnitts des Außenzahnrads 115, wobei der Kopfhöhenkreis 116, der Fußkreis 118 und der Wälzkreis 120 ausgelegt und auch die Konturen einiger Zähne hinzugefügt werden.
Als nächstes wird der vorausgewählte bevorzugte maximale Winkel x (in diesem Beispiel: 25º) vom Zahnradmittelpunkt 122 zwischen den radialen Linien 124, 125 ausgelegt; eine Sehne 126 wird zwischen den zwei Punkten 127, 128 gezeichnet, an denen die Radiallinien 124, 125 den Wälzkreis 120 schneiden. Die Länge der Sehne 126 wird gemessen, um die Durchmessermessung X zu liefern, die zur Bildung des Einzelkreises verwendet wird, der den Bogen bestimmt, der die gesamte Länge der Arbeitsfläche jedes Kugelzweieckzahns für die Zahnräder bildet.
In einer weiteren in Fig. 13B gezeigten Konstruktion sind das Außenzahnrad 115 und ein kämmendes Innenzahnrad 130 in modifizierten flachen Projektionen (wie oben erklärt) ausgelegt, wobei die Achsen der Zahnräder einander im vorausgewählten bevorzugten maximalen Winkel (d. h. 25º) schneiden und die Schwenkachse, um die die Zahnradachsen einander schneiden, durch den Mittelpunkt 132 des geteilten Eingriffsbereichs angezeigt ist. Ein Kreis mit dem Durchmesser X wird um den Mittelpunkt 132 gezeichnet, und die Bögen dieses Kreises bilden die Vorderfläche des Außenzahnradzahns 134 und die Hinterfläche des Außenzahnradzahns 135. Der Mittelpunkt 132 dient auch dazu, den Mittelpunkt eines Außenzahns zu markieren, und die weiteren Außenzahmittelpunkte 137, 138 werden entlang der radialen Mittellinie 136 des Zahnrads 115 in aufeinanderfolgenden Abständen markiert, die dem vorausgewählten Circular Pitch entsprechen. Anschließend werden unter Verwendung der Kreise des gleichen Durchmessers X und der aufeinanderfolgenden Mittelpunkte 137, 138 usw. die Vorder- und Hinterflächen der anderen Außenzahnradzähne konstruiert.
In ähnlicher Weise werden - beginnend an den zwei Punkten, die in einer Entfernung des halben Circular Pitch auf jeder Seite des Eingriffsmittelpunkts 132 markiert sind - die aufeinanderfolgenden Zahnmittelpunkte 139, 140 entlang der radialen Mittellinie 141 des Innenzahnrads 130 markiert. Dann werden unter Verwendung von Kreisen des gleichen Durchmessers X und unter Verwendung der aufeinanderfolgenden Mittelpunkte 139, 140 usw. die Vorder- und Hinterflächen der Zahnradzähne des Innenzahnrads 130 konstruiert. Wie dies für Fachleute auf dem Gebiet der Fertigung von Zahnrädern offenkundig ist, können solche Kugelzweieck-Zahnradzähne mittels hohlzylindrischer Schneidgeräte mit dem Innendurchmesser X geformt werden.
In der dargestellten Konstruktion erkennt man, dass zahlreiche Kugelzweieckzähne (z. B. etwa 10 Zähne in jedem geteilten Eingriffsbereich) an beiden ihrer jeweiligen Stirnflächen in vollem Kontakt stehen, wenn der Wellenwinkel zwischen den Zahnrädern den maximalen Winkel erreicht. Die normale Sehnendicke jedes Kugelzweieckzahns ist jedoch nicht so groß wie der Raum zwischen den Zähnen des kämmenden Zahnrads, sodass mit abnehmendem Wellenwinkel von der maximalen Ausrichtung auf die 180º-Ausrichtung das Zahnspiel zwischen den ineinandergreifenden Kugelzweieckzähnen zunimmt, wobei ein beträchtliches maximales Ausmaß an Zahnspiel erreicht wird, wenn die Achsen die Ausrichtung von 180º erreichen. Die vorliegende Kugelzweieck-Zahnkonstruktion ist daher für Anwendungen nicht geeignet, in denen minimales Zahnspiel zu jedem Zeitpunkt erforderlich ist, z. B. wenn es mit der erwarteten relativen Häufigkeit während des normalen Betriebs zur Umkehr der erwarteten Wellendrehung kommt.

(f) L/IC-(Kugelzweieck/Inverse Kurve)-Kombinationskonstruktion

Fig. 14A und 14B sind schematische Darstellungen der Konturen der ineinandergreifenden Zähne eines weiteren Paars erfindungsgemäßer Zahnräder. Aus Gründen, die sich aus der folgenden Erklärung ergeben, wird diese Konstruktion als "L/IC"-Konstruktion (Kugelzweieck-Inverskurve) bezeichnet. Wiederum sind die Konturen der Zähne in modifizierten flachen Projektionen des Paars dargestellt, wobei einander ihre Achsen in einem bevorzugten maximalen Winkel schneiden. Natürlich muss man sich in Erinnerung rufen, dass eine derartige flache Projektion lediglich die echten Zahnräder simuliert, deren Wälzflächen kugelförmig sind. Sollten die in Fig. 14A gezeigten Zahnräder fälschlicherweise in traditioneller Weise auf Wälz"zylindern" ausgelegt sein, wäre eine starke Interferenz die Folge. Bei Auslegung auf einer Wälzkugel jedoch (oder auf jeweiligen Wälzkugel paaren mit im Wesentlichen gleichen Radien und zusammenfallenden Mittelpunkten) greifen diese Zähne im gesamten Bereich der Winkeleinstellung ohne Interferenz oder übermäßiges Zahnspiel ineinander.
Wie bei den anderen oben beschriebenen Zahnkonstruktionen der Anmelder können die Zähne der Fig. 14A und 14B am leichtesten mittels einer Konstruktion erklärt werden. Für diese L/IC-Zähne beginnt die Konstruktion mit der üblichen Bestimmung von Kopfhöhengröße, Diametral Pitch und normaler Zahndickensehne sowie des erwünschten maximalen Winkels x, über den einander die Zahnradwellen erwartungsgemäß an jeder Seite von 180º variabel schneiden.
Auf der Grundlage dieser vorausgewählten Parameter werden flache Projektionen der Wälzkreise der zwei Zahnräder ausgelegt, die einander im maximalen Winkel schneiden (in diesem Fall: 45º); wie bei der CT- und CD-Auslegung ist ein Zahnmittelpunkt 80' für eines der Zahnräder am Schnittpunkt zwischen den Wälzkreisen positioniert. Unter Verwendung des ausgewählten Circular Pitch P' werden die zusätzlichen Zahnmittelpunkte 81', 82' und 83', 84', 85' und 86' auf jedem Wälzkreis markiert. Als nächstes wird der Mittelabschnitt jedes Zahns als jeweiliger Kreis mit einem Durchmesser, der der erwünschten Sehnendicke D' entspricht, ausgelegt. Jeder jeweilige Kreis wird mit einem Radius T versehen, der einer Hälfte der Sehnendicke entspricht (d. h. einem Viertel des Circular Pitch).
Die Zähne eines ersten der Zahnräder werden dann in Kugelzweieck-Auslegung geformt, wobei die gesamte Länge jeder Zahnvorderfläche 87', 88', 89', 90' jedes Zahns der Bogen eines Kreises ist, dessen Mittelpunkt sich auf dem Wälzkreis des ersten Zahnrads befindet und der folgenden Radius R' besitzt:
R' = 3T = 3D'/2 = 3P'/4
wobei Radius R' das 1 ¹/&sub2;-fache der ausgewählten Sehnendicke ausmacht, die auch 3/4 des Circular Pitch entspricht.
Die Zähne des kämmenden Zahnrads des zweiten Zahnrads werden um die Zahnmittelpunkte 80', 81', 82' gebildet; dies erfolgt in recht ähnlicher Weise wie oben bei den CT- und CD-Zähnen. Jeder Kreisbogenmittelpunkt-Abschnitt 91', 92' jeder Zahnfläche wird mit zwei axial verlaufenden. Abschnitten 93', 94' versehen, die an jedem seiner Enden anliegen; die Oberfläche des jeweiligen Verlängerungsabschnitts 93', 94' ist eine Linie (a), die sich vom kreisförmigen Mittelabschnitt 91', 92' an einem von zwei Punkten A', E' bzw. B', F' (gegenüber von der radialen Mittellinie 95' des Zahns in jeweiligen vorbestimmten Zahnflächenwinkeln x angeordnet) und (b) hin zu einem projizierten Schnittpunkt mit der axialen Mittellinie 96' des Zahns erstreckt. In der L/IC-Konstruktion ist wie in der CT-Konstruktion die Oberfläche des jeweiligen Zahnoberflächen-Verlängerungsabschnitts tangential zum kreisförmigen Mittelabschnitt jeder Zahnfläche.
Wie aus Fig. 14A ersichtlich, ist jedoch jeder Zahnoberflächen-Verlängerungsabschnitt 93', 94' eine gekrümmte Linie mit einer Krümmung, die invers zur Krümmung des kreisförmigen Mittelabschnitts 91' ist. Jeder dieser invers gekrümmten Verlängerungsabschnitte ist ein Kreisbogen mit einem Krümmungsmittelpunkt auf einer Verlängerung seiner jeweiligen Zahnoberflächen-Winkellinie A', B' bzw. E', F'. Eine solche Auslegung ist für die Zahnoberflächen-Verlängerunsabschnitte des Zahns 97' dargestellt, für den die Krümmungsmittelpunkte für die Verlängerungsabschnitte 100', 101', 102' und 103' die Punkte 104', 105', 106' bzw. 107' sind. In dieser Konstruktion entspricht der Radius R' jedes Verlängerungsabschnitts dem Dreifachen des Radius T des jeweiligen kreisförmigen Mittelabschnitts.
Fig. 14B zeigt den gleichen Eingriff des gleichen Paars von L/IC-Zahnrädern von Fig. 14A, jedoch mit ihren Achsen, die einander nur in einem Winkel von 20º und nicht im bevorzugten maximalen Winkel schneiden. Man erkennt, dass sich fünf Zähne nach wie vor in Eingriff befinden. Daher bietet die L/IC-Konstruktion auch mehr Zähne, die zu jedem Zeitpunkt in Eingriff stehen, als ein herkömmliches Zahnradsystem; wenn die Achsen überdies in einem Winkel von 180º ausgerichtet sind, stehen alle Zähne wie bei einer Zahnradkupplung in Eingriff.

CV-Gelenke (Doppelgelenke)

Während das erfindungsgemäße Zahnradsystem für jede Anwendung in Frage komme, die die Übertragung von Drehkräften zwischen Elementen erfordert, deren Achsen einander während des normalen Betriebs in variablen Winkeln schneiden, ist eine Hauptanwendung der Erfindung in der Automobiltechnologie das Gebiet der Universalgelenke und Doppelgelenke ("CV"-Gelenke).
In Fig. 15 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen CV-Gelenks in schematischer und teilweise im Querschnitt gezeigter Ansicht dargestellt. Ein Außenzahnrad 150 ist an einer Nabe 152 montiert, die mittels Keilwellennut am Ende einer Antriebswelle 154 mit dieser verbunden ist; das kämmende Innenzahnrad 156 ist an einer schalenförmigen Stütze 158 montiert, die am Ende einer Antriebswelle 160 befestigt ist. Die Zahnräder 150 und 156 werden mittels eines kugelförmigen Lagers in einer ineinandergreifenden Beziehung gehalten, welches kugelförmige Lager ein großes Kugellager 162 umfasst, das am Mittelpunkt der Stütze 158 am Ende der angetriebenen Welle 160 durch einen Bolzen 163 befestigt ist. Das Kugellager 162 wird in einem Käfig 164 gehalten, der zwischen einer Außenlippe 166 der Nabe 152 und einem Federring 168 festgehalten wird, der durch einen geeigneten Kanal in der Nabe 152 positioniert ist.
Für Montagezwecke wird das Keilwellenende der Nabe. 152 bis zum Innendurchmesser der Keilwellennuten gebohrt und der Käfig 164 in zwei Teile untergliedert. Während der Montage wird: (a) die äußere Hälfte des Käfigs 164 gegen die Lippe 166 positioniert, (b) die Kugel 162 in der äußeren Hälfte des Käfigs 164 untergebracht, (c) die innere Hälfte des Käfigs 164 um die Kugel 162 angeordnet, (d) der Federring 168 in der Nabe 152 platziert, um den Käfig 164 festzuhalten, und (e) der Bolzen 163 dient dazu, die Kugel 162 an der Welle 160 zu befestigen.
Mit dieser Lagerstruktur werden die Mittelpunkte beider Zahnräder zu jedem Zeitpunkt so gehalten, dass sie mit dem Mittelpunkt der Kugel 162 zusammenfallen, während sich die Kugel 162 ungehindert in jeder Richtung relativ zum Käfig 164 bewegen kann; die Zahnräder 150, 156 bleiben um die zwei Eingriffsmittelpunkte in kämmenden Kontakt, wenn die Wellen 154, 160 einander in einem breiten Bereich von Wellenwinkeln in jeder beliebigen Ebene variabel schneiden.
Fig. 16 ist eine schematische und teilweise im Querschnitt dargestellte Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen CV-Gelenks. Zwar ähnelt diese Ausführungsform dem CV-Gelenk von Fig. 15, doch enthält sie ein spezielles kugelförmiges Lager, das zur Verwendung bei hoher Geschwindigkeit und hohem Drehmoment vorzuziehen ist.
Das Innenzahnrad 170 ist an der schalenförmigen Stütze 172 und der angetriebenen Welle 173 befestigt, während das Außenzahnrad 175 an einer Nabenstruktur 176 befestigt ist, die mittels Keilwellennut mit der Antriebswelle 177 verbunden ist; der Mittelabschnitt des kugelförmigen Lagers umfasst wiederum eine große Kugel 178, die mit einem Bolzen 179 an der Stütze 172 und der Welle 173 befestigt ist. Die Kugel 178 gleitet in einem Käfig 180, der in einem in der Nabenstruktur 176 ausgebildeten geeigneten Kanal festgehalten wird. In dieser hohen Ansprüchen gerecht werdenden Ausführungsform gleitet die Kugel 178 nicht direkt auf dem Käfig 180, sondern wird durch viele kleinere Kugeln 182 getragen, die im Käfig 180 eingeschlossen sind (dies erfolgt durch eine Reihe von Läufen, die durch sehr dünne Ringunterlegscheiben 183 gebildet werden, die seitlich um die Kugel 178 positioniert sind). Aus Montagezwecken ist der Käfig 182 wiederum in zwei durch Bolzen 184 befestigte Teile geteilt (nur einer dargestellt). Dank dieser Kugellageranordnung werden getrennte Gruppen kleinerer Kugeln 182 jeweils in getrennten seitlichen Führungen festgehalten, doch die Kugeln können ungehindert längsseitig rollen.
In der oben erläuterten Weise sind die Zähne der in den CV-Gelenken verwendeten erfindungsgemäßen Zahnräder für einen vorbestimmten maximalen bevorzugten Wellenwinkel ausgelegt. In Fig. 16 erkennt man, dass das CV-Gelenk in der Zeichnungsebene um die Schwenkachse 186 mit seinem bevorzugten maximalen Winkel (in diesem Beispiel 40º) gelenkig verbunden ist; um den gelenkigen Verbindungsbereich dieses CV-Gelenks zu veranschaulichen, ist das untere Ende des Zahnrads 175 in Phantomlinien dargestellt, wobei die Position des Zahnrads 175 angezeigt ist, wenn es in der entgegengesetzten Richtung zum gleichen maximalen Winkel geschwenkt wird.
Die Schmierung der Kugellager dieser CV-Gelenke wird durch geeignete Kanäle erleichtert, die durch und um die Oberfläche der großen Kugeln gebohrt sind (solche Kanäle sind nur in Fig. 15 dargestellt). Für Fachleute auf dem Gebiet sei angemerkt, dass sich während der Änderung des Wellenwinkels, z. B. aufgrund des Steigens und Senkens eines mittels Kniegelenkshebels aufgehängten Antriebsrads, die Naben (z. B. die Nabe 152 und die Nabenstruktur 176) relativ zu den Enden ihrer jeweiligen Wellen geringfügig axial bewegen müssen. Unter diesen Umständen wird die zwischen dem Ende der Welle 177 und der Kugel 178 eingeschlossene Schmierflüssigkeit durch und um das Kugellager gepumpt.
Man beachte, dass die oben beschriebenen kugelmontierten CV-Gelenke in jeder durch den Kugelmittelpunkt verlaufenden Ebene zur gelenkigen Verbindung fähig sind. Natürlich kann - sollte die erforderliche gelenkige Verbindung der Wellenwinkel nur auf eine Ebene beschränkt sein (z. B. nur links und rechts oder nur auf und ab) - das CV- Gelenk vereinfacht ausgeführt sein und z. B. eine Struktur aufweisen, die der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ähnelt.
In vielen LKWs werden die Hinterräder durch ein Differential angetrieben, das sich näher am Boden befindet als der Abtrieb des LKW-Getriebes; eine das Zahnradsystem der Erfindung enthaltende Antriebswelle kann dazu dienen, die erforderliche gelenkige Verbindung zwischen dem Getriebe und dem Differential solcher LKWs herzustellen. Fig. 17 ist eine schematische Darstellung einer solchen Antriebswelle 188 mit einem jeweiligen Paar der erfindungsgemäßen Zahnräder 189, 190 an jedem Ende. Das Innenzahnrad 192 des Zahnradpaars 189 wird in einer schalenartigen Stütze 193 gehalten, die eine Basisplatte 194 enthält, die zur Verbindung mit dem Ausgang des Getriebes ausgebildet ist. Das Außenzahnrad 195 des Zahnradpaars 19 ist am linken Ende der Welle 188 befestigt. Ebenso ist das Außenzahnrad 196 des Zahnradpaars 190 am rechten Ende der Welle 188 befestigt, während sein kämmendes Innenzahnrad 197 in der schalenförmigen Stütze 198 gehalten wird, die an einer Welle 199 fixiert ist, die in geeigneter Weise mit dem Differential des LKW verbunden sein kann.
Zahnradpaare 189, 190 auf der gelenkigen Verbindungswelle 188 sind schematisch dargestellt und besitzen jeweilige Kugellager zur Positionierung der Zahnräder relativ zueinander. Daher ist die in Fig. 17 gezeigte Anordnung nur für Anwendungen geeignet, in denen die Platte 194 und/oder die Welle 199 in mehr als einer Ebene eine Gelenksverbindung benötigen. Wenn jedoch diese gelenkig verbundene Wellenanordnung in der beschriebenen Weise in einem LKW verwendet wird, ist die Winkelausrichtung jeder Zahnradgruppe üblicherweise in einem vorausgewählten Winkel in einer Ebene fixiert (wie oben erläutert), und es können zum Abstützen der Zahnräder einfachere Zahnrad-Montageanordnungen verwendet werden, die der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ähneln.
Man beachte, dass die gesamte durch die Zahnradanordnung von Fig. 17 bereitgestellte Gelenksverbindung den maximalen bevorzugten Winkel des Zahnradpaars 189 sowie den maximalen bevorzugten Winkel des Zahnradpaars 190 umfasst. Modifizierungen dieser Anordnung können dazu dienen, ein Gelenk mit beachtlicher Gelenksverbindung bereitzustellen. Wenn beispielsweise die Länge der Welle 188 minimiert ist (z. B. wenn die zwei Wellenenden Rücken an Rücken positioniert wären) und die Zahnradpaare 189, 190 jeweils ausgelegt wären, CV-Rotationskräfte unter allen erwarteten Lasten zu übertragen, während die Wellenwinkel ihrer jeweiligen Zahnräder in jeder Ebene über 30º variieren, dann würde die obige Rücken-an-Rücken-Anordnung in jeder Ebene für eine CV-Gelenksverbindung bis zu einem Winkel von 60º sorgen, während in einer Ebene und gleichzeitig in jeder anderen Ebene eine Gelenksverbindung von bis zu 30º geschaffen wird.
Fig. 18 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels einer Anwendung der Erfindung als CV-Gelenk 200 (ähnlich dem in Fig. 15 gezeigten) in einem Lenkantrieb für ein Fahrzeug. Ein Ende einer Lenkantriebsachse 201 ist mittels Keilwellennut mit einem herkömmlichen Antriebsflansch 202 verbunden, an dem das Vorderrad des Fahrzeugs durch Bolzen befestigt ist (weder das Rad noch die Bolzen sind dargestellt). Das andere Ende der Lenkantriebsachse 201 ist an einer Schale 204 angebracht, die ein Innenzahnrad 206 des das CV-Gelenk 200 umfassenden Zahnradpaars stützt.
Das Außenzahnrad 207 ist am Ende einer Antriebswelle 208 befestigt, die sich ihrerseits in nicht dargestellten Achslagern dreht, die im Automobilrahmenelement 210 gehalten sind. Die Lenkantriebsachse 201 ist in geeigneter Weise durch nicht dargestellte Lager in einer Radstütze 212 abgestützt, die durch Achsschenkelbolzen 214 drehbar mit dem Rahmenelement 210 verbunden ist. Aufgrund des großen Kugellagers 216 kann der Wellenwinkel zwischen den Zahnrädern 206, 207 variieren, wenn die Radstütze 212 gelenkt wird.
In anderen bekannten herkömmlichen Anordnungen, z. B. worin das Rahmenelement 210 durch Kniegelenkshebel für die Auf- und Abbewegung ersetzt ist, ermöglicht das Kugellager 216 die gleichzeitige Gelenksverbindung in dieser zweiten Ebene. Während solcher Situationen gleichzeitiger Gelenksverbindung in mehreren Ebenen teilt das Zahnradpaar 206, 207 des CV-Gelenks 200 weiterhin zu jedem Zeitpunkt zwei Eingriffsbereiche, die 180º voneinander zentriert sind, und alle Zahnräder bewegen sich mit einer relativen schwankenden Bewegung, während sie sich gemeinsam in einem 1 : 1-Verhältnis drehen.
Es sei auf ein weiteres Merkmal der in Fig. 17 gezeigten Lenkantriebsanordnung verwiesen - sie überwindet nämlich die Drehmomentlenkungs-Probleme, die in Lenkantriebsachsen mit CV-Gelenken des Stands der Technik auftreten. "Drehmomentlenkung" ist der Ausdruck, der auf dem Gebiet der Erfindung verwendet wird, um die Tendenz eines Drehgelenks zu beschreiben, ein unerwünschtes Drehmoment um die Achsschenkelbolzen einer gelenkten Achse zu erzeugen. Dieses Problem wird in der in Fig. 18 gezeigten Achsenauslegung durch die Anordnung der Achsschenkelbolzen 214 mit der Schwenkachse des CV-Gelenks 200 verhindert. Da die Zahnräder 206, 207 zwei 180º voneinander beabstandete Eingriffspunkte teilen und da diese Eingriffspunkte mit der Schwenkachse zwischen der antreibenden und der angetriebenen Welle ausgerichtet sind, erzeugt die Drehung der Zahnräder in ihrem 1 : 1-Verhältnis kein Moment um die Schwenkachse; und da die Schwenkachse des CV- Gelenks 200 so ausgerichtet ist, dass sie mit der Achse der Achsschenkelbolzen 214 zusammenfällt, erzeugt die Drehung der Zahnräder keine unerwünschten Lenkmomente um die Achsschenkelbolzenachse und führt auch nicht zu Drehmomentlenkung.
Eines der wichtigen Merkmale des erfindungsgemäßen CV-Gelenks betrifft seine problemlose Schmierung. Fig. 19 ist eine schematische und teilweise im Querschnitt gezeigte Darstellung eines sich drehenden CV-Gelenks, das jenem von Fig. 15 ähnelt. Das Gelenk ist während des Betriebs als Gelenksverbindurig zwischen zwei Elementen einer offenen Automobilantriebswelle dargestellt. Zum dargestellten Zeitpunkt nimmt man an, dass die Wellenelemente in einem Winkel von etwa 15º gelenkig verbunden sind und sich mit mehr als 300 U/min drehen.
Ein Außenzahnrad 150' ist an einer Nabe 152' mit einem Umfangsverlängerungsabschnitt 153' montiert, der mittels Keilwellennut mit dem Ende eines offenen Antriebswellenelements 154' verbunden ist. Das kämmende Innenzahnrad 156' der Kupplung ist an einer schalenförmigen Stütze 158' angebracht, die einen Umfangslippenabschnitt 159' enthält und am Ende eines offenen Antriebswellenelements 160' befestigt ist. Zwischen dem Umfangsverlängerungsabschnitt 153' der Nabe 152' und dem Umfangslippenabschnitt 159' der schalenförmigen Stütze 158' ist ein Elastomerschuh 161' befestigt. Die jeweiligen Enden des Schuhs 161' sind gegen den Verlängerungsabschnitt 153' durch ein Metallblechband 165' und gegen den Lippenabschnitt 159' durch eine Metallblechmuffe 167' abgedichtet. Die schalenförmige Stütze 158' und der Elastomerschuh 161' schließen beide den Gelenksmechanismus in einer einkapselnden Abdeckung ein.
Wenn Drehbewegung vom Wellenelement 154' auf das Wellenelement 160' übertragen wird, wird Schmierflüssigkeit 169' innerhalb des eingekapselten Gelenks durch Zentrifugalkräfte zu den Seiten der schalenförmigen Stütze 158' und in die ineinandergreifenden Zähne der kämmenden Zahnräder gepresst. Da sich der gesamte Gelenksmechanismus mit den Achsenwellenelementen dreht, werden die drehenden metallischen Seiten der schalenförmigen Stütze 158' luftgekühlt und leiten die in der Schmierflüssigkeit 169' entstehende Wärme ab. Außerdem bieten die vertikalen Abschnitte der Metallblechmuffe 167' dem Elastomerschuh 161' Halterung zur Einschränkung des Axialflusses der Schmierflüssigkeit und zur Bewältigung des Drucks dieser Zentrifugalkräfte.
Wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 3A, 3B und 3C erklärt, drehen sich zwar das einander im Winkel schneidende Außenzahnrad 150' und Innenzahnrad 156' in einem Verhältnis von 1 : 1, doch ihre kämmenden Zähne gleiten in ihren zwei geteilten, 180º voneinander beabstandeten Eingriffsbereichen kontinuierlich in und aus dem Eingriff. Während das in Fig. 19 gezeigte Gelenk eine ¹/&sub4;-Umdrehung vollzieht, gleiten die Zähne 150a, 150b des Außenzahnrads 150' über die jeweiligen Stirnflächen kämmender Zähne 156a, 156b des Innenzahnrads 156' und in vollen Eingriff, wobei sie die gegen sie gepresste Schmierflüssigkeit mitnehmen, wenn sie sich in der dargestellten Position befinden. Nach einer weiteren 1/4-Umdrehung bewegen sich diese Zahnräder aus dem Eingriff, und die Zwischenräume zwischen den Zahnradzähnen werden wieder mit Schmierflüssigkeit gefüllt, die durch Zentrifugalwirkung der sich drehenden Kupplung unter Druck gesetzt wird. Während dieses Vorgangs schafft diese Gleitbewegung der Zahnradzähne einen konstanten Nebel der Schmierflüssigkeit, der die Atmosphäre innerhalb des eingekapselten Gelenks zur Schmierung des Kugellagermechanismus sättigt.

Systeme mit höheren Übersetzungsverhältnissen

Das vorliegende Zahnradsystem kann auch zur Übertragung von Rotationskräften in höheren Verhältnissen als 1 : 1 dienen. In solchen Anordnungen jedoch teilen die Zahnradsysteme nicht mehr zwei Eingriffsbereiche. Stattdessen teilen die Zahnräder nur einen Eingriffsbereich in gleicher Weise wie herkömmliche Getriebe, doch sie übertragen nach wie vor Drehkräfte, während ihre jeweiligen Wellen relativ zueinander über einen vorbestimmten Winkelbereich variiert werden (Erklärung siehe oben).
Fig. 20A und 20B sind schematische Darstellungen zweier Ansichten eines Zahnradsystems zur Übertragung von Drehkräften in anderen Verhältnissen als 1 : 1 (z. B. 2 : 1). Fig. 20A ist eine Draufsicht eines Innenzahnrads 220, das durch eine schalenförmige Stütze 222 gehalten wird, die am Ende einer Welle 224 befestigt ist. Ein kämmendes Außenzahnrad 226 ist am Ende einer Welle 228 ausgebildet, die in dieser Darstellung in der Ebene der Abbildung in einem maximalen bevorzugten Winkel x oberhalb ihrer 180º-Ausrichtungsposition relativ zur Welle 224 nach oben justiert wurde. Das Zahnrad 226 ist auch in Phantomlinien dargestellt, nachdem die Welle 228 im gleichen maximalen bevorzugten Winkel x unter ihre 180º-Ausrichtungsposition relativ zur Welle 224 nach unten justiert wurde. Wie oben im Detail geschildert, bleiben die kämmenden Zähne der Zahnräder 220, 226 im Eingriff, während sich der Wellenwinkel in seinem gesamten Bewegungsbereich ändert.
Da die Zahnräder 220, 226 unterschiedlich dimensionierte Wälzkreise besitzen, drehen sie sich nicht mit der gleichen Geschwindigkeit relativ zueinander. Während also die jeweiligen Zahnflächen in oben beschriebener Weise in Übereinstimmung mit 1 : 1- Zähnezahlverhältnissen aneinander vorbeigleiten, müssen die Zähne des kleineren Zahnrads 226 mit den Zähnen des größeren Zahnrads 220 in rollendem Kontakt in Eingriff stehen. Um diesen Rolleingriff in Anordnungen aufzunehmen, die für andere Verhältnisse als 1 : 1 ausgelegt sind, sind die Zahnradzähne mit Evolventenprofilen versehen. Wie oben erwähnt, sind die CT- und CD-Zahnauslegungen vorzugsweise mit geradseitigen Zahnprofilen versehen, wobei beide Konstruktionen nur mit Problemen nachträglich mit Evolventenprofilen versehen werden können. Für andere Verhältnisse als 1 : 1 ist daher die oben beschriebene Kugelzweieck-Konstruktion für die Zahnradzähne vorzuziehen.
Wie bereits erwähnt, stehen die Kugelzweieckzähne nur in festem Eingriff, wenn die Zahnradwellen im bevorzugten maximalen Winkel positioniert sind; Zahnspiel zwischen kämmenden Zähnen nimmt mit abnehmendem Wellenwinkel stetig zu, wobei maximales Zahnspiel erreicht wird, wenn der Wellenwinkel 180º erreicht. Fig. 20B ist eine Endansicht der Anordnung von Fig. 20A, in der alle Elemente außer die Zahnräder 220, 226 fehlen und mit übertriebenem Abstand das maximale Zahnspiel dargestellt ist, das eintritt, wenn die jeweiligen Wellen der Zahnräder in einem Winkel von 180º ausgerichtet sind.
In Fig. 21 ist eine weitere Anordnung des erfindungsgemäßen Zahnradsystems schematisch dargestellt, die nur Außenzahnräder verwendet. Zwar besitzen beide Zahnräder 220', 226' Außenzähne, doch funktioniert diese Anordnung ähnlich wie oben besprochen. Die Zahnräder übertragen Drehkräfte in anderen Verhältnissen als 1 : 1 (z. B. 2 : 1), und die kämmenden Zähne der Zahnräder bleiben zu jedem Zeitpunkt in Eingriff, während sich der Wellenwinkel zwischen den Zahnrädern im gesamten durch einen vorbestimmten maximalen Winkel definierten Bewegungsbereich ändert. Da die Zahnräder 220', 226' unterschiedlich dimensionierte Wälzkreise besitzen, drehen sie sich relativ zueinander nicht mit der gleichen Geschwindigkeit und treten daher durch Rollkontakt miteinander in Eingriff. Um diesen Rolleingriff in Anordnungen aufzunehmen, die für andere Verhältnisse als 1 : 1 ausgelegt sind, sind die Zähne wiederum mit Evolventenprofilen versehen, wobei die Kugelzweieck-Konstruktion vorzuziehen ist.
Die Kugelzweieckzähne der Zahnräder 220', 226' stehen nur in festem Eingriff, wenn die Zahnradwellen im bevorzugten maximalen Winkel positioniert sind, wobei das Zahnspiel zwischen den kämmenden Zähnen stetig bis zu einem Maximum zunimmt, das erreicht wird, wenn der Wellenwinkel zwischen den Zahnrädern 180º beträgt, d. h. in der in Fig. 21 gezeigten Beziehung. Natürlich schafft dieses Zahnspiel für jene Anwendungen keine Probleme, in denen die Zahnräder zur Übertragung von Kräften vor allem in einer Drehrichtung verwendet werden; das erfindungsgemäße Zahnradsystem kann zur Übertragung solcher Drehkräfte verwendet werden, während die Wellen der Zahnräder über einen breiten Winkelbereich von weniger als 180º eingestellt werden.

Claims

1. Zahnrad-Paar (10,20; 50,52; 100,108; 115, 130; 170,175; 189, 190; 206, 207; 220,226; 220',226') mit ineinandergreifenden Zähnen, die an jeweiligen Wälzkreisen kämmen, um Rotationskräfte zwischen zwei Elementen (14, 24; 154',160'; 224, 228) zu übertragen, von denen jedes um eine jeweilige von zwei Achsen (40,42) drehbar ist, die einander schneiden, wenn sie sich entweder in der selben Ebene oder in parallelen Ebenen befinden und eine der Achsen auf die andere projiziert wird,

wobei jedes Zahnrad (10,20) fix an einem jeweiligen der Elemente (14, 24) zu befestigen ist, um sich damit zudrehen;

wobei eines der Zahnräder Zähne aufweist, die so geformt sind, dass ein Mittelabschnitt einer längsgerichteten Oberseite einer jeden Zahnfläche in Blickrichtung auf die jeweilige Wälzfläche des kämmenden Zahns ein Kreisbogen ist und bei Blickrichtung im Axialschnitt eine gekrümmte Fußlinie ist,

wobei, wenn sich die Zahnräder in einer antreibenden und angetriebenen Beziehung drehen, die schneidenden Achsen über einen kontinuierlichen Winkelbereich variabel sind,

dadurch gekennzeichnet, dass die beiden jeweiligen Wälzkreise so angeordnet sind, dass entweder

(a) die beiden Zahnräder konzentrisch und ihre Wälzkreise identisch sind, und die Wälzkreise einander an zwei Punkten, die 180º voneinander entfernt sind, tatsächlich schneiden, oder

(b) die Wälzkreise einander in nur einem Tangentialpunkt schneiden,

die Zähne des anderen der Zahnräder auch ebenfalls zwei Zahnflächen aufweisen, die so ausgebildet sind, dass ein Mittelabschnitt einer längsgerichteten Oberseite einer jeden Zahnfläche in Blickrichtung auf die jeweilige Wälzfläche des kämmenden Zahns ein Kreisbogen ist; und

wenn die schneidenden Achsen über den Winkelbereich variiert werden, die Zahnräder über Wälzkreise (A-B-C-D; A'-B'-C'-D') ineinandergreifen, bei denen es sich um Großkreise auf jeweiligen Wälzkugeln handelt.

2. Getriebe nach Anspruch 1, worin das Zahnrad-Paar ein Zahnrad (10) mit Innenzähnen und ein Zahnrad (20) mit Außenzähnen umfaßt.

3. Getriebe nach Anspruch 1, worin, wenn sich die Achsen in den parallelen Ebenen befinden, jedes Zahnrad des Zahnrad-Paars (220',226') Außenzähne aufweist.

4. Getriebe nach Anspruch 1, worin die Mittelabschnitte beider längsgerichteter Zahnoberflächen eines jeden kämmenden Zahns zumindest eines ersten der Zahnräder jeweilige Bögen sind, die die gegenüberliegenden Seiten eines ersten Einzelkreises (70,e,k) mit einem Durchmesser gleich einer vorbestimmten normalen Zahndickensehne bilden.

5. Getriebe nach Anspruch 4, worin jeder Kreisbogen-Mittelabschnitt (66, 67) einer jeden längsgerichteten Zahnoberfläche des ersten Zahnrads zwei sich axial erstreckende Fortsatzabschnitte (72, 73, 74, 75) aufweist, die jeweils an jedem jeweiligen Ende des Mittelabschnitts anliegen; und

jeder der jeweiligen Fortsatzabschnitte eine sich axial erstreckende Oberfläche aufweist, die bei Blickrichtung auf die Wälzkugelfläche des ersten Zahnrads eine Linie ist, die sich

(a) vom und tangential zum kreisförmigen Mittelabschnitt an einem jeweiligen von zwei Punkten (A,E;B,F) erstreckt, die einander gegenüber in jeweiligen vorbestimmten Zahnoberflächenwinkeln (x), gemessen von einer radialen Mittellinie (68) der längsgerichteten Zahnoberfläche, angeordnet sind, und

(b) zu einer projizierten Schnittstelle mit der axialen Mittellinie (76) des Zahns erstreckt, und

worin jeder der jeweiligen Zahnoberflächen-Fortsatzabschnitte eine gerade Linie (72, 73; o-s, p-s) ist oder eine gekrümmte Linie (93',94') mit einer gegenüber der Krümmung des kreisförmigen Mittelabschnitts inversen Krümmung ist.

6. Getriebe nach Anspruch 5, worin die inverse Krümmung der Bogen eines Kreises mit einem Radius (R') gleich dem 1,5-fachen des Durchmessers des kreisförmigen Mittelabschnitts ist,

wobei jede längsgerichtete Zahnoberfläche eines jeden kämmenden Zahns eines zweiten Zahnrads des Zahnrad-Paars in Blickrichtung auf die Wälzfläche des zweiten Zahnrads ein Bogen eines zweiten Einzelkreises mit einem Radius (R') gleich dem 1,5- fachen des Durchmessers des ersten Einzelkreises ist, der den kreisförmigen Mittelabschnitt der Zähne des ersten Zahnrades bildet.

7. Getriebe nach Anspruch 2, worin jede Zahnfläche eines jeden kämmenden Zahns vom zumindest einem der Zahnräder in Blickrichtung in eine radiale Mittelebene des ersten Zahnrads im Profil im wesentlichen geradseitig ist, wobei das geradseitige Profil entweder (a) keilwellenförmig (62) ist oder (b) einer radialen Linie (60) des ersten Zahnrads folgt, und jede der Zahnflächen (116, 117) eine obere Kopfhöhe aufweist, die eine Kopfrücknahme-Balligkeit aufweist.

8. Getriebe nach Anspruch 1, worin:

jeder solche Mittelabschnitt der beiden längsgerichteten Zahnoberflächen eines ersten der Zahnräder (115, 80',220) ein jeweiliger Kreisbogen mit einem ersten Radius (T) ist; und

jeder solche kämmende Zahn des zweiten Zahnrades (130, 83', 230) des Zahnrad-Paars zwei Zahnflächen aufweist, die so ausgebildet sind, dass jede längsgerichtete Oberfläche (87-90') einer jeden Zahnfläche ein solcher Kreisbogen mit einem zweiten Radius (R') ist.

9. Getriebe nach Anspruch 8, worin:

die Wälzkreise tangential sind;

einer der tangentialen Wälzkreise größer als der andere ist;

der größere Wälzkreis (120) auf der Wälzoberfläche des ersten der Zahnräder (115, 220) liegt;

die Bögen, die die längsgerichteten Zahnoberflächen eines jeden solchen kämmenden Zahns des ersten Zahnrads mit einem Durchmesser (X) eines Kreises konstruiert sind, der auf der größeren Wälzkugel (120) gebildet ist und einen Winkel, gemessen vom Mittelpunkt (122) der größeren Wälzkugel aus, gleich einem maximalen Winke) (x) zwischen den Achsen begrenzen;

jeder solche kämmende Zahn des zweiten Zahnrades (130, 230) des Paares zwei längsgerichtete Zahnoberflächen aufweist, die in Blickrichtung auf die jeweilige Wälzkugel des zweiten Zahnrads, ebenfalls Bögen eines Kreises mit dem gleichen Durchmesser (X) wie die Kreisbögen sind, die die längsgerichteten Zahnoberflächen der Zähne des ersten Zahnrads bilden.

10. Getriebe nach Anspruch 8, worin:

die Zahnräder einen vorbestimmten Circular Pitch aufweisen;

wobei die Kreisbogen-Mittelabschnitte eines jeden solchen kämmenden Zahns des ersten Zahnrads des Paars die gegenüberliegenden Seiten eines ersten Einzelkreises mit einem Durchmesser (2T) gleich der Hälfte des vorbestimmten Circular Pitch bilden; und

jede längsgerichtete Zahnoberfläche eines jeden solchen kämmenden Zahns des ersten Zahnrads bei Blickrichtung auf die Wälzkugel des ersten Zahnrads einen Kreisbogen- Mittelabschnitt und zwei sich axial erstreckende Fortsatzabschnitte (93',94') aufweist, die jeweils am jeweiligen Ende (A',E') des Kreisbogen-Mittelabschnitts anliegen; und

jeder jeweilige Fortsatzabschnitt (93', 94') eine sich axial erstreckende Oberfläche aufweist, die bei Blickrichtung auf die jeweilige Wälzkugeloberfläche des ersten Zahnrads eine gekrümmte Linie (a) mit einer zur Krümmung des kreisförmigen Mittelabschnitts inversen Krümmung ist, die sich (b) vom Kreisbogen-Mittelabschnitt aus und tangential dazu an einem jeweiligen von zwei Punkten (A',E') erstreckt, die einander gegenüber in jeweiligen vorbestimmten Zahnoberflächenwinkeln (x), gemessen von einer radialen Mittellinie (95') der Zahnoberfläche, angeordnet sind, und (c) zu einer projizierten Schnittstelle mit der axialen Mittellinie (96') des Zahns erstrecken,

wobei die Bögen (I) die inverse Krümmung des jeweiligen Fortsatzabschnitts einer jeden solchen Zahnoberfläche des ersten Zahnrads bilden und (ii) die längsgerichteten Oberflächen der Zähne des zweiten Zahnrads alle mit einem Radius (R') konstruiert sind, der gleich 3/4 des vorbestimmten Circular Pitch ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Paars kämmender Zahnräder nach Anspruch 1, welches umfaßt:

das Bestimmen des gewünschten Durchmessers der Wälzkreise oder des größeren der beiden tangentialen Wälzkreise, wenn diese nicht gleich sind;

das Berechnen des Diametral Pitch, der erforderlich ist, um jeden einzelnen Zahn mit einer ausreichenden Zahndickensehne zu versehen, um die Rotationskräfte auszuhalten, deren Übertragung zwischen den beiden drehbaren Elementen erwartet wird; und

das Ausbilden des Mittelabschnitts einer jeden längsgerichteten Zahnoberfläche eines jeden kämmenden Zahns eines jeden der kämmenden Zahnräder, in Blickrichtung auf die jeweilige Wälzkugel des Zahnrads, als Bogen eines ersten Einzelkreises mit einem Durchmesser, der so gewählt ist, dass, wenn sich die Zahnräder in einer treibenden und getriebenen Beziehung drehen, die schneidenden Achsen über den kontinuierlichen Winkelbereich variiert werden können.

12. Verfahren nach Anspruch 11, weiters folgende Schritte umfassend:

die Verwendung der Bögen des ersten Einzelkreises, um zumindest einen Mittelabschnitt aller längsgerichteten Zahnoberflächen von zumindest einem ersten der Zahnräder zu bilden, wobei der erste Einzelkreis einen Durchmesser gleich der Zahndickensehne aufweist;

das Versehen einer jeden der längsgerichteten Zahnoberflächen des zumindest ersten der Zahnräder mit zwei Vergrößerungsabschnitten, die jeweils an einem jeweiligen Ende eines jeden solchen Kreisbogen-Mittelabschnitts ausgebildet sind, wobei sich jeder solche Vergrößerungsabschnitt über die Flächenbreite einer jeden Zahnoberfläche vom kreisförmigen Mittelabschnitt in einer jeweiligen axialen Richtung des ersten Zahnrads erstreckt;

das Ausbilden eines jeden solchen jeweiligen Vergrößerungsabschnitts so, dass bei Blickrichtung auf die Wälzkugelfläche der Vergrößerungsabschnitt eine Linie ist, die sich

(a) vom und tangential zum kreisförmigen Mittelabschnitt an einem jeweiligen von zwei Punkten erstreckt, die einander gegenüberliegend in einem jeweiligen vorbestimmten Zahnoberflächenwinkel zu einer radialen Mittellinie des kreisförmigen Mittelabschnitts angeordnet sind, und

(b) eine axiale Mittellinie des Zahns an einer jeweiligen gegenüberliegenden Seite des kreisförmigen Mittelabschnitts schneidet;

das Zuweisen eines Werts, der gleich dem vorbestimmten maximalen Winkel ist, in dem die beiden Achsen einander variabel schneiden, zu jedem solchen Zahnoberflächenwinkel;

das Ausbilden einer jeden solchen Linie als gerade Linie oder als gekrümmte Linie mit einer Krümmung, die zur Krümmung des kreisförmigen Mittelabschnitts invers ist, wobei die inverse Krümmung der Bogen eines zweiten Kreises mit einem Radius erfolgt, der gleich dem 1,5-fachen der Zahndickensehne ist;

das Ausbilden einer jeden längsgerichteten Zahnoberfläche eines jeden solchen kämmenden Zahns des zweiten Zahnrads des Paars auf solche Weise, dass in Blickrichtung auf die Wälzkugelfläche des zweiten Zahnrads jede solche längsgerichtete Zahnoberfläche ein Bogen des zweiten Kreises ist.

13. Universalkupplung (100; 200) zum Übertragung von Rotationskräften zwischen zwei Elementen (154, 160; 173, 177), die jeweils um eine jeweilige von zwei Achsen drehbar sind, die sich variabel über einen kontinuierlichen Bereich von 180º bis zu einem Winkel schneiden, der von 180º um einen vorbestimmten maximalen Winkel (x) differiert, wobei die Kupplung umfaßt:

ein einzelnes Zahnrad-Paar (150,156; 170,175; 189, 190) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10, worin eines der Zahnräder Innenzähne aufweist und das andere Außenzähne aufweist, wobei jedes Zahnrad an einem jeweiligen der Elemente (154, 160) befestigt ist, um sich damit zu drehen.

14. Kupplung nach Anspruch 13, worin:

jedes Zahnrad (156, 156a) mit Innenzähnen durch eine schalenförmige Stütze (158, 158') mit einem Umfangslippenabschnitt (159') mit einem der drehbaren Elemente (160,160') verbunden ist;

wobei das Zahnrad (150,150a) durch eine Nabe (152, 152') mit einem Umfangsfortsatzabschnitt (153') mit Außenzähnen mit dem anderen der drehbaren Elemente (154, 154') verbunden ist; und

weiters umfassend ein Kugellager, das aufweist:

(a) ein Innenelement (162), das an der schalenförmigen Stütze (158, 158') befestigt und darin zentriert ist; und

(b) ein Außenelement (164), das dazu ausgebildet ist, das Innenelement (162) aufzunehmen und innerhalb der Nabe (152, 152') zentriert ist.

15. Kupplung nach Anspruch 14, worin das Innenelement ein Einzelkugellager (162) ist und das Außenelement ein Käfig (164) ist, der dazu ausgebildet ist, das Einzelkugellager (162) aufzunehmen.

16. Kupplung nach Anspruch 15, worin eine Vielzahl von Kugellagern (182) mit einer geringeren Größe als das Einzelkugellager (178) zwischen dem Käfig (180) und dem Einzelkugellager (178) angeordnet sind.

17. Kupplung nach Anspruch 14, worin ein Elastomer-Schuh (161') zwischen dem Umfangslippenabschnitt (159') der schalenförmigen Stütze (158') und dem Fortsatzabschnitt (153') der Nabe (152') befestigt ist, so dass die schalenartige Stütze (158') und der Elastomer-Schuh (161') kombiniert die Zahnräder innerhalb einer Einkapselungshülle einschließen.