DE102008045847A1

DE102008045847A1 - Zahnrad

Info

Publication number: DE102008045847A1
Application number: DE102008045847A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. Sesselmann; Holger Schrepel; Uwe Schilling
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-03-11

Abstract

Es wird ein Zahnrad (01) beschrieben, mit einer Radnabe (02) und einem mit der Radnabe (02) verbundenen, getrennt herstellbaren ringförmigen Zahnkranz (03) aus einem hochbelastbaren, verschleißfesten Wirkstoff mit einer Laufverzahnung (04). Gemäß einem ersten Gegenstand der Erfindung erfolgt die Verbindung von Radnabe (02) und Zahnkranz (03) über eine Verrastung (11, 12), welche den Zahnkranz (03) in axialer Richtung gegenüber der Radnabe (02) fixiert, wobei zumindest ein Teil der Verrastung gleichzeitig eine formschlüssige Verbindung in Umfangsrichtung zwischen Radnabe (02) und Zahnkranz (03) bildet. Gemäß einem zweiten Gegenstand der Erfindung ist auf einer dem die Laufverzahnung (04) tragenden Zahnkranz (03) zugewandten Außenfläche (05) der Radnabe (02) sowie auf einer dieser Außenfläche (05) zugewandten Innenfläche (06) des Zahnkranzes (03) eine Passverzahnung (07) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 3.
Ein Zahnrad besteht im Wesentlichen aus einer auf einer Welle anordbaren bzw. angeordneten Radnabe mit einer kreisrunden Außenkontur und einer über deren Umfang angeordneten, auch als Laufverzahnung bezeichneten Verzahnung.
Bei Stirnrädern und Schnecken, sowie teilweise auch bei Schneckenrädern ist die kreisförmige Außenkontur zylinderförmig. Die Verzahnung ist an der Stirnseite der Radnabe am Umfang des Zylinders angeordnet.
Bei Kegelrädern ist die kreisförmige Außenkontur kegelförmig. Die Verzahnung ist auf der Mantelfläche des Kegels angeordnet.
Bei Kronrädern ist die kreisförmige Außenkontur zylinderförmig. Die Verzahnung ist nicht wie bei den Stirnrädern an der Stirnseite, sondern auf der Radfläche angeordnet.
Bei Schneckenrädern kann die kreisförmige Außenkontur neben der Form eines Zylinders auch in Form eines einschaligen Hyperboloids aufweisen. Die Verzahnung ist am Umfang auf der Mantelfläche des Hyperboloids angeordnet.
Zahnräder sind häufig einstückig integral aus einem Werkstoff geformt. Es sind aber auch so genannte Verbundzahnräder bekannt, welche aus zwei oder mehr fest miteinander verbundenen Elementen aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Durch die EP 0 751 246 A1 ist ein Zahnrad bekannt, bestehend aus einem getrennt hergestellten Grundkörper aus Kunststoff, an dessen Umfang ein die Außenverzahnung bildendes Band aus verschleißfestem Material, beispielsweise aus Metall, mittels einer Klebstoffschicht befestigt ist. Der Grundkörper besteht aus einer Nabe, welche mittels einer mit Aussparungen versehenen Scheibe mit einem Radkranz verbunden ist, welcher an seinem Umfang mit einer Verzahnung versehen ist. Das Band überdeckt den Grundkörper derart, dass es den Radkranz im Bereich der Zähne weitgehend abdeckt. Das Zahnrad erfüllt die Aufgaben, möglichst keine durch Gießen oder Spritzen des Grundkörpers bedingten Formfehler aufzuweisen.
Durch die DE 698 04 263 T2 ist ein Zahnrad mit einer Radnabe und einem mit der Radnabe verbundenen Zahnkranz bekannt. Die Radnabe besteht aus einer sandwichartigen Zwischenanordnung einer Scheibe aus einem hochwiderstandsfähigen, leichten Material zwischen zwei Scheiben aus Kohle- oder Glasfaser oder einem metallischen Film. Der Zahnkranz wird durch eine kreisförmige metallische Verzahnung gebildet, die entlang des Umfangs der Scheibe aus einem hochwiderstandsfähigen, leichten Material aufgebracht ist. Die Verbindung zwischen den Scheiben ebenso wie die Verbindung mit der metallischen Verzahnung ist durch ein Kunstharz gewährleistet. Das Zahnrad erfüllt die im Gegensatz zueinander stehenden Forderungen nach Widerstand gegen Verschleiß, geringes Gewicht, Dimensionsstabilität und große Steifigkeit.
Durch die DE 24 38 141 A1 ist ein Zahnrad mit einer Nabe aus Metall und einem Zahnkranz aus Kunststoff bekannt. Dieses Zahnrad weist das Geräuschverhalten und die dämpfenden Eigen schaften eines Zahnrads aus Kunststoff auf. Gleichzeitig sitzt dessen Nabe sicher auf der Welle und kann eine Passfeder aufnehmen. Darüber hinaus besteht kein Wärmeausdehnungsunterschied zwischen Welle und Nabe.
Durch die DE 101 27 224 A1 ist ein Zahnrad bekannt, mit einer Metallscheibe mit einer mittigen Öffnung für eine Welle und mit einem ringförmigen Kunststoffelement, welches am Umfang der Metallscheibe mit dieser kraft- und formschlüssig verbunden angeordnet ist. Das Kunststoffelement weist einen eingeformten Zahnkranz auf und ist an die Metallscheibe angegossen. Das Zahnrad weist ein geringes Gewicht auf und ist kostengünstig herstellbar.
Durch die DE 101 49 759 A1 ist ein Zahnrad aus Kunststoff mit einer eingespritzten Lagerbuchse zur Montage auf einer Welle bekannt.
Durch die DE 697 04 941 T2 ist ein Zahnrad bekannt, bestehend aus einem starren Körperabschnitt der sich z. B. aus mehreren Metallplatten bzw. -scheiben zusammensetzt, die an ihrem Umfang Zähne aufweisen. Eine erste Schicht aus einem thermoplastischen Material, wie z. B. Nylon, ist auf einer ersten Seite des starren Körperabschnitts angeordnet, und eine zweite Schicht des thermoplastischen Materials auf einer gegenüberliegenden Seite. Sowohl die erste, als auch die zweite Schicht weisen jeweils an ihrem Umfang thermoplastische Zahnabschnitte auf, die an die Zähne des Körperabschnitts angrenzen. Das Zahnrad vermindert im Vergleich zu anderen Verbundzahnrädern die Abroll- bzw. Zahnradgeräusche lässt dabei aber unter Notfallbedingungen die Aufnahme hoher Lastdrehmomente ohne Beschädigung zu.
Nachteilig an den Zahnrädern nach dem Stand der Technik ist deren geringe Belastbarkeit einerseits und deren hoher werkzeugtechnischer Aufwand zur Einhaltung geringer Toleranzen, ebenso wie deren geringe Dauerlaufbelastbarkeit und deren zum Teil schwierige Herstellung andererseits.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann es deshalb angesehen werden, ein Zahnrad zu entwickeln, welches einen geringen Herstellungsaufwand hat, eine geringe Geräuschentwicklung beim Abrollen aufweist, und welches dabei hoch belastbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. mit den Merkmalen des Anspruchs 3.
Zur Lösung der Aufgabe ist demnach ein Zahnrad mit einer Radnabe und einem mit der Radnabe verbundenen, getrennt herstellbaren bzw. hergestellten ringförmigen Zahnkranz mit einer vorzugsweise integralen Laufverzahnung vorgesehen, d. h. mit einer Laufverzahnung die z. B. durch Einarbeiten, wie etwa durch nachträgliches Herausfräsen oder durch Spritzgießen oder dergleichen einteiliger Bestandteil dieses Zahnkranzes bzw. Rings ist. Die Radnabe kann aus einem ersten, vorzugsweise einfach zu verarbeitenden Werkstoff bestehen, vorzugsweise aus einem Kunststoff. Der getrennt herstellbare bzw. hergestellte Zahnkranz bzw. Ring besteht aus einem hochbelastbaren, verschleißfesten zweiten Werkstoff, beispielsweise aus einem hochwertigen, verschleißfesten, z. B. faserverstärkten Kunststoff oder aus einem Metall.
Gemäß einem ersten Gegenstand der Erfindung erfolgt die Verbindung von Radnabe und Zahnkranz über eine Verrastung, welche den Zahnkranz in axialer Richtung gegenüber der Radnabe fixiert, wobei zumindest ein Teil der Verrastung gleichzeitig eine formschlüssige, insbesondere spielfreie Verbindung in Umfangsrichtung zwischen Radnabe und Zahnkranz bildet.
Gemäß einem zweiten Gegenstand der Erfindung ist zwischen dem Zahnkranz und der Radnabe, genauer auf einer dem die Laufverzahnung tragenden Zahnkranz zugewandten Außenfläche der Rad nabe, sowie auf einer dieser Außenfläche zugewandten Innenfläche des Zahnkranzes eine auch als Steckverzahnung, Kerbverzahnung oder als Keilwellenprofil bezeichnete Passverzahnung angeordnet.
Die Passverzahnung besteht aus einer an der dem Zahnkranz zugewandten Außenfläche der Radnabe angeordneten und eine erste Partie der Passverzahnung bildenden Radnabenaußenverzahnung, sowie einer an der dieser Außenfläche zugewandten Innenfläche des Zahnkranzes angeordneten und mit der Radnabenaußenverzahnung korrespondierenden, die zweite Partie der Passverzahnung bildenden Zahnkranzinnenverzahnung.
Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich unter anderem dadurch, dass durch den getrennt herstellbaren bzw. hergestellten und den Zahnkranz bildenden Ring aus verschleißfesterem kostenintensiverem Material, in welchem die Laufverzahnung eingearbeitet ist, eine hohe Belastbarkeit der einzelnen Zähne der Laufverzahnung insbesondere im Vergleich zu Zahnrädern mit einer Laufverzahnung aus weniger verschleißfestem und somit günstigerem Kunststoff oder einer Laufverzahnung mit mittels einem Metallblech abgedeckten Zähnen aus Kunststoff gewährleistet ist. Ferner wird durch den die Laufverzahnung tragenden Ring und die zwischen dem Ring und der Radnabe angeordnete Passverzahnung ein über die Radnabe weiterzuleitendes Drehmoment über alle Zähne der Passverzahnung über den Umfang der Radnabe verteilt, so dass es auch im Bereich der Passverzahnung zu keiner Überbeanspruchung der einzelnen Zähne der Passverzahnung kommt. Darüber hinaus weist die Passverzahnung zwischen Radnabe und Ring eine höhere Belastbarkeit auf, als beispielsweise eine schlichte Klebeverbindung zwischen zylindrischen Flächen. Außerdem kann beim erfindungsgemäßen Zahnrad die Radnabe einfach hergestellt werden im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten sandwichartigen Radnaben.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich beispielsweise durch eine hohe Funktionalität durch das sich durch die getrennte Herstellung von Radnabe und Zahnkranz bei gleichzeitiger hoher Belastbarkeit der Verbindung zwischen Radnabe und Zahnkranz ergebende Baukastenprinzip. Ein solches Baukastenprinzip oder eine solche Baukastenlösung wird oftmals auch als so genannte mechatronische Systemlösung bezeichnet. Im Vergleich zum Stand der Technik ergibt sich eine Erhöhung. der Standzeiten und der Festigkeit, eine Vermeidung von Gleichlaufschwankungen, da sowohl die Radnabe, als auch der Zahnkranz mit dem jeweils optimalen Herstellungsverfahren unter geringem Aufwand hergestellt werden können. Ferner ergibt sich durch die nunmehr hochfesten Zahnflanken der Laufverzahnung eine Verbesserung des Wirkungsgrads. Im Vergleich zu ebenfalls einer Laufverzahnung aus hochfestem bzw. aus hochbelastbarem und verschleißfestem Werkstoff ergibt sich darüber hinaus z. B. durch die sehr leicht ausführbare Radnabe eine erhebliche Gewichtseinsparung. Nach dem Stand der Technik weisen Zahnräder mit einem Zahnkranz aus hochbelastbarem und verschleißfestem Werkstoff eine in Sandwichtechnik unter Einschluss von Metall hergestellte Radnabe auf, welche wesentlich schwerer ist, als bei einem erfindungsgemäßen Zahnrad. Weiterhin ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik unter Berücksichtigung einer vergleichbaren Belastbarkeit eine Volumeneinsparung für den zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Zahnrads benötigten hochbelastbaren und verschleißfesten Werkstoff. Durch die optimale getrennte Herstellungsmöglichkeit von Zahnkranz und Radnabe ergibt sich darüber hinaus eine erhebliche Qualitätsverbesserung zumindest der Laufverzahnung gegenüber dem Stand der Technik.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Radnabe und Zahnkranz eine Schicht aus einem elastisch verformbaren Material angeordnet. Hierdurch findet einerseits eine Geräuschdämmung im Betreib des Zahnrads statt, und andererseits findet eine Anlauf- und/oder Abbremsruckdämpfung zwischen der Radnabe und dem Zahnkranz statt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zumindest in Umfangsrichtung zwischen den Zähnen der Passverzahnung Elemente aus elastisch verformbarem Material angeordnet. Hierdurch findet zumindest eine Anlauf- und/oder Abbremsruckdämpfung zwischen der Radnabe und dem Zahnkranz statt.
Die Radnabe und der Zahnkranz können miteinander verklebt oder miteinander verschweißt sein, z. B. durch Ultraschalschweißen bzw. Laserschweissen oder mit einem Wärmedraht.
Alternativ oder zusätzlich hierzu sind die Radnabe und der Zahnkranz vorzugsweise durch eine Verrastung in axialer Richtung miteinander verbunden.
Die Verrastung kann aus in axialer Richtung an der Radnabe angeordneten Rastnasen und aus im Zahnkranz angeordneten Ausnehmungen bestehen, welche Ausnehmungen mit den Rastnasen korrespondierende Hintergreifungen aufweisen.
Die Verrastung kann außerdem zumindest im Bereich der Zähne der Passverzahnung an der Radnabe und/oder am Zahnkranz eine Nut, und zumindest im Bereich der Zahnzwischenräume der Passverzahnung am Zahnkranz und/oder an der Radnabe einen mit der Nut korrespondierenden Steg umfassen. Dabei sind verschiedene Ausführungsformen denkbar. Beispielsweise kann die Verrastung eine umlaufende Nut an einer ersten Fläche der Passverzahnung, beispielsweise an der Zahnkranzinnenfläche, und einen umlaufenden, hervorstehenden Steg an einer zweiten Fläche der Passverzahnung, beispielsweise an der Radnabenaußenfläche umfassen. Ebenso ist denkbar, dass beispielsweise nur bestimmte Zähne der Passverzahnung des Zahnkranzes und/oder der Radnabe in Umfangsrichtung z. B. mittig eine Nut aufweisen, und korrespondierende Zwischenräume der Passverzahnung der Radnabe und/oder des Zahnkranzes in Umfangsrichtung z. B. mittig einen Steg aufweisen.
Die Verrastung kann weiter eine erste, am Außenumfang der Radnabe angeordnete umlaufende Nut, eine zweite, am Innenumfang des Zahnkranzes angeordnete umlaufende Nut, sowie einen in den beiden Nuten einlegbaren Federring umfassen.
Die Radnabe besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff. Dies spart Gewicht und genügt dank der Passverzahnung zwischen Zahnkranz und Radnabe den zu übertragenden Drehmomenten.
Der Zahnkranz besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff oder aus einem Metall.
Der Kunststoff kann Füllstoffe und Stützeinlagen, wie z. B. Metallringe, Langglasfasern, oder sonstige die Festigkeit erhöhende Materialien enthalten.
Von Vorteil ist zwischen Radnabe und Zahnkranz eine Schicht aus einem elastisch verformbaren Material angeordnet. Hierdurch findet einerseits eine Geräuschdämmung im Betreib des Zahnrads statt, und andererseits findet eine Anlauf- und/oder Abbremsruckdämpfung zwischen der Radnabe und dem Zahnkranz statt.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen oder deren Unterkombinationen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zahnrads in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.
2 eine Ansicht des Zahnrads aus 1 von der gegenüberliegenden Seite her.
3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zahnrads in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.
4 eine Ansicht des Zahnrads aus 3 von der gegenüberliegenden Seite her.
5 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zahnrads in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.
6 eine Ansicht des Zahnrads aus 5 von der gegenüberliegenden Seite her.
7 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zahnrads in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.
8 eine Ansicht des Zahnrads aus 7 von der gegenüberliegenden Seite her.
9 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zahnrads in einer perspektivischen Darstellung, wobei der Zahnkranz in dieser Darstellung im Röntgenblick dargestellt ist.
10 eine schematische Darstellung eines des Ausführungsbeispiels aus 9 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.
11 eine Ansicht des Zahnrads aus 10 von der gegenüberliegenden Seite her.
12 eine schematische Darstellung eines sechstes Ausführungsbeispiels eines zusammengebauten erfindungsgemäßen Zahnrads in einer perspektivischen Ansicht.
13 das Zahnrad aus 12 in einer Explosionsdarstellung aus einer ersten Blickrichtung.
14 das Zahnrad aus 12 in einer Explosionsdarstellung aus einer zweiten Blickrichtung.
15 eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zahnrads in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.
16 eine Ansicht des Zahnrads aus 15 von der gegenüberliegenden Seite her.
Die in der Figur gleichen Bezugsziffern bezeichnen gleiche oder gleich wirkende Elemente.
In den Zeichnungen 1 bis 16 sind als Stirn- oder Schneckenräder mit einer zylinderförmigen, kreisförmigen Außenkontur ausgeführte erfindungsgemäße Zahnräder 01 dargestellt.
Jedes in den 1 bis 16 dargestellte Zahnrad 01 besteht aus einer Radnabe 02 und einem mit der Radnabe 02 verbundenen, getrennt herstellbaren bzw. hergestellten ringförmigen Zahnkranz 03 mit einer integralen Laufverzahnung 04. Zwischen dem Zahnkranz 03 und der Radnabe 02, genauer auf einer dem die Laufverzahnung 04 tragenden Zahnkranz 03 zugewandten Außenfläche 05 der Radnabe 02, sowie auf einer dieser Außenfläche 05 zugewandten Innenfläche 06 des Zahnkranzes 03 ist eine auch als Steckverzahnung, Kerbverzahnung oder als Keilwellenprofil bezeichnete Passverzahnung 07 angeordnet. Die Passverzahnung 07 besteht aus einer an der dem Zahnkranz 03 zugewandten Außenfläche 05 der Radnabe 02 angeordneten und eine erste Partie der Passverzahnung 07 bildenden Radnabenaußenverzahnung 08, sowie einer an der dieser Außenfläche 05 zugewandten Innenfläche 06 des Zahnkranzes 03 angeordneten und mit der Radnabenaußenverzahnung 08 korrespondierenden, die zweite Partie der Passverzahnung 07 bildenden Zahnkranzinnenverzahnung 09.
Die Radnabe 02 und der Zahnkranz 03 des in den 1 und 2 dargestellten Zahnrads 01 sind miteinander verklebt oder z. B. durch Ultraschalschweißen bzw. Laserstrahlschweissen miteinander verschweißt.
Die Radnabe 02 und der Zahnkranz 03 des in den 3 und 4 dargestellten Zahnrads 01 sind mittels eines Wärmedrahts 10 miteinander verschweißt, der vorzugsweise als ein Verlierteil im Zahnrad 01 nach dem Verschweißen der Radnabe 02 mit dem Zahnkranz 03 verbleibt.
Alternativ oder zusätzlich hierzu sind die Radnabe und der Zahnkranz vorzugsweise wie in den 5 bis 9 dargestellt durch eine Verrastung in axialer Richtung miteinander verbunden sein bzw. werden.
Die Verrastung kann wie in den 5 und 6 dargestellt aus in axialer Richtung an der Radnabe 02 angeordneten Rastnasen 11 und aus im Zahnkranz 03 angeordneten Ausnehmungen 12 bestehen, welche Ausnehmungen 12 mit den Rastnasen 11 korrespondierenden Hintergreifungen aufweisen.
Zumindest ein Teil der Verrastung, beispielsweise die in die Ausnehmungen 12 ragenden Rastnasen 11 an deren der Radnabe 02 zugewandten (im Beispiel angeformten) Enden bilden gleichzeitig eine formschlüssige Verbindung in Umfangsrichtung zwischen Radnabe und Zahnkranz, über welche formschlüssige Verbindung zumindest ein Teil eines zwischen Radnabe 02 und Zahnkranz 03 zu übertragenden Drehmoments übertragen werden kann. Zudem kann die Rastnase 11 federnd ausgeführt sein, so dass zwischen Zahnkranz 03 und Radnabe 02 einerseits eine Geräuschdämmung im Betreib des Zahnrads 01 erfolgt, und andererseits eine Anlauf- und/oder Abbremsruckdämpfung zwischen der Radnabe und dem Zahnkranz ermöglicht ist.
In den 7 und 8 ist eine Variante dargestellt, bei der die Sperrung in axialer Richtung durch einen in einer Nut 14 des Zahnkranzes 03 liegenden Steg 16 der Radnabe 02 erfolgt. Dabei wird die Radnabe 02 in einem zweiten Herstellungsschritt durch vergießen/verspritzen hergestellt, wodurch sich nach Erhärtung des Materials ein Formschluss zwischen Radnabe 02 und Zahnkranz 03 einstellt.
Die Nut verläuft dabei im Bereich der Zähne 13 der Passverzahnung 07 am Zahnkranz 03 vorzugsweise mittig angeordnet in Umfangsrichtung. Steg 16 und Nut 14 können dabei auch umgekehrt als in den 7 und 8 dargestellt angeordnet sein, d. h. der Steg 16 kann sich auch am Zahnkranz 03 befinden und die Nut 14 sich an der Radnabe 02. Ebenso ist grundsätzlich denkbar, dass Stege 16 und Nuten 14 einander an beiden Bauteilen abwechseln.
Ebenso ist denkbar den Steg in der Nut verrastbar auszugestalten. Die Verrastung kann alternativ auch eine erste, am Außenumfang bzw. an der Außenfläche 05 der Radnabe 02 angeordnete umlaufende Nut, eine zweite, am Innenumfang bzw. an der Innenfläche 06 des Zahnkranzes 03 angeordnete umlaufende Nut, sowie einen in den beiden Nuten einlegbaren Federring umfassen.
Eine Verrastung zwischen Radnabe 02 und Zahnkranz 03 kann auch wie in 9 dargestellt ausgeführt sein, wobei eine Varrastung an korrespondierenden Vorsprüngen 22 und 23 erfolgt welche an zumindest einzelnen Zahnzwischenräume 15 der Radnabe 02 vorgesehen sind.
Wird das Zahnrad 01 bzw. dessen Radnabe 02 und/oder dessen Zahnkranz 03 aus Kunststoff hergestellt, können wie in 9 beispielhaft für den Zahnkranz 03 dargestellt Füllstoffe und Stützeinlagen, wie z. B. Metallringe 17/18, Langglasfasern, oder sonstige die Festigkeit erhöhende Materialien im Kunststoff enthalten sein.
Die 10 und 11 zeigen das Ausführungsbeispiel aus 9 in einer Explosionsdarstellung jeweils aus einer anderen Richtung.
Bei einem in den 12, 13 und 14 dargestellten Zahnrad 01 sind zumindest in Umfangsrichtung zwischen den Zähnen 19 der Passverzahnung 07 Elemente 20 aus elastisch verformbarem Material angeordnet. Hierdurch findet zumindest eine Anlauf- und/oder Abbremsruckdämpfung zwischen der Radnabe und dem Zahnkranz statt. Die Zähne 19 weisen hierzu vorzugsweise senkrecht auf den Außenfläche 05 der Radnabe 02 bzw. Innenfläche 06 des Zahnkranzes 03 stehende Zahnflanken auf.
Die 15 und 16 zeigen ein Zahnrad 01 mit einer Kombination aus zumindest in Umfangsrichtung zwischen den Zähnen 19 der Passverzahnung 07 angeordneten Elementen 20 aus elastisch verformbarem Material sowie einer Verstärkung 21. Diese beispielsweise als ein federelastischer Metallring ausgeführte Verstärkung 21 stützt das Zahnrad 03 von innen her indem die Verstärkung im Rahmen eines Spritzgussprozesses in das im gezeigten Beispiel vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Zahnrad 03 eingebracht wird.
Wichtig ist hervorzuheben, dass erfindungsgemäß vorgesehen ist, die Radnabe 02 und den beispielsweise als Schneckenradkranz ausgeführten Zahnkranz 03 getrennt mit der jeweils optimalen Technologie herzustellen und beide Elemente danach formschlüssig, kraftschlüssig oder reibschlüssig miteinander zu verbinden. Auch eine Kombination der Verbindungsarten ist erfindungsgemäß möglich. Für die Elemente Zahnkranz 02 und Radnabe 03 werden je nach Formgestalt, Werkstoffeigenschaften und Teilegeometrie die optimalen Fertigungsverfahren hinsichtlich Festigkeit, Toleranzanforderung, Kosten und Wirkungsgrad für den ausgewählten Werkstoff gewählt.
Auch eine Dreikomponenten (3-K) Ausführung des erfindungsgemäßen Zahnrades ist möglich, beispielsweise damit die Elemente Zahnkranz 03 und Radnabe 02 unter Last begrentzt gegeneinander verdrehbar sind.
Wird beispielsweise wie in den 10 bis 16 dargestellt ein dritter elastischer Werkstoff zwischen Radnabe 02 und Zahnkranz 03 eingefügt, können die Radnabe 02 und der Zahnkranz 03 beim Aufbringen eines Drehmomentes gegeneinander verdreht werden, so dass eine Dämpfung beispielsweise eines zwischen Radnabe 02 und Zahnkranz 03 zu übertragenden Anlauf- oder Abbremsdrehmoments und damit eines Anlauf- oder Abbremsrucks erfolgt. Das erfindungsgemäße Zahnrad 01 wird dadurch gedämft.
Auch eine Zweikomponenten-Ausführung (2-K) bzw. eine Zweikomponententechnologie kann bei den erfindungsgemäßen Zahnrädern 01 Anwendung finden. Die 2-K-Elemente können Füllstoffe und Stützeinlagen z. B. Metallringe 17, 21, Langglasfasern oder sonstige, die Festigkeit erhöhende Materialien enthalten.
Es können Kunststoffe mit Kunststoffen und auch alle sonst üblichen metallischen Teile mit Kunststoffen gepaart werden. Ebenso können unterschiedliche Metalle gepaart werden. Damit wird ein für eine hohe Standfestigkeit der Laufverzahnung notwendiger, höherwertiger bzw. kostentreibender Werkstoff nur dort eingesetzt, wo die Anforderungen auch zu erfüllen sind, bzw. wo diese hoch sind. Gleichzeitig werden Kosten eingespart und die Funktionalität und Zuverlässigkeit im Vergleich zu einem Zahnrad nach dem Stand der Technik erhöht.
Die Herstellung eines Zahnkranzes 03 aus höherwertigem Kunststoff kann vorzugsweise im Extrusionsverfahren oder Spritzgussverfahren erfolgen, wobei beliebige Verzahnungen, wie etwa Geradverzahnungen und Schrägverzahnungen möglich sind.
Bei einem erfindungsgemäßen Zahnrad 01 wird die Radnabe 02 wegen ihrer komplizierten Form vorzugsweise spritztechnisch bei Kunststoffmaterialien und bei metallischen Werkstoffen vorzugsweise durch Sintern hergestellt.
Die Radnabe 02 kann sinnvollerweise aus kostengünstigen Werkstoffen hergestellt werden, wenn dort die Spezifikationsanforderungen geringer sind.
Vorzugsweise sind für die Radnabe 02 und den Zahnkranz 03 mögliche Werkstoffe, wie Polyolefine, Polyamide, Polyacetate Polyester und Polyetherketone, in all ihren Modifikationen und Kombinationen denkbar.
Zur Herstellung einer Radnabe 02 aus Kunststoff können vorzugsweise folgende Werkstoffe verwendet werden:

– Polypropylen (PP);
– Polypropylenlangglasfaser (PPLGF)
– Polyamid (PA)
– Polybutylenterephthalat (PBT).

Die genannten Werkstoffe können z. B. mit Glas- oder Kohlefasern oder anderen Füllstoffen angereichert sein.
Zur Herstellung eines Zahnkranzes 03 aus Kunststoff können vorzugsweise folgende Werkstoffe verwendet werden:

– Polyoxymethylen (POM), auch Polyacetal oder Polyformaldehyd genannt;
– Polyamid 12 (PA 12);
– Polyetheretherketon (Peek).

Auch diese genannten Werkstoffe können z. B. mit Glas- oder Kohlefasern oder anderen Füllstoffen angereichert sein.
Die Verbindung zwischen Radnabe 02 und Zahnkranz 03 erfolgt vorzugsweise formschlüssig mit spritz-gegossenen Formschlüssen (Nut 14 und Steg 16), Rastelementen, beispielsweise mit Rastnasen 11 und korrespondierenden Ausnehmungen, oder mit zwischen den Zähnen der Passverzahnung angeordneten korrespondierenden Verrastungselementen 22 und 23.
Die axiale Fixierung kann aber auch durch Schweißverfahren z. B. Ultraschallschweißen bzw. Laserschweissen oder mit Wärmedraht 10 oder durch Kleben erfolgen, womit die Teile miteinander verbunden werden.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung beispielsweise bei Schneckenrädern in Getrieben der Automobiltechnik, die bislang einstückig und aus nur einem Werkstoff, beispielsweise aus Kunststoff bestehen. Solche Schneckenräder werden bislang vorwiegend einstückig durch Spritzgießen hergestellt. Hierdurch ist bislang aufgrund der vorgegebenen Geometrie ein hoher werkzeugtechnischer Aufwand erforderlich, um die geforderten Toleranzen einzuhalten. Außerdem ertragen die einstückig beispielsweise durch Spritzgießen hergestellten Schneckenräder wegen der erforderlichen kostengünstigen und spritzfähigen Materialien in der Verzahnung die notwendige Dauerlaufbelastung nicht oder nur risikobehaftet. Außerdem neigen solche Schneckenräder unter Dauerlast zum Verformen und verursachen Gleichlaufschwankungen.
Einstückige Schneckenräder aus z. B. hochfesten Kunststoffen sind aufgrund der Materialeigenschaften von hochfesten Kunststoffen nicht oder nur schwierig herstellbar.
Die Erfindung schafft eine kostengünstige Lösung für die geschilderten Nachteile.
Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Herstellung von Zahnrädern, vorzugsweise von Zahnrädern, wie sie z. B. für elektrische Stellantriebe in Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, gewerblich anwendbar.

01: Zahnrad
02: Radnabe
03: Zahnkranz
04: Laufverzahnung
05: Außenfläche
06: Innenfläche
07: Passverzahnung
08: Radnabenaußenverzahnung
09: Zahnkranzinnenverzahnung
10: Wärmedraht
11: Rastnase
12: Ausnehmung
13: Zahn
14: Nut
15: Zahnzwischenraum
16: Steg
17: Metallring
18: Metallring
19: Zahn
20: Element aus elastischem Material
21: Verstärkung
22: Verrastungselement
23: Verrastungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0751246 A1 [0008]
- DE 69804263 T2 [0009]
- DE 2438141 A1 [0010]
- DE 10127224 A1 [0011]
- DE 10149759 A1 [0012]
- DE 69704941 T2 [0013]

Claims

Zahnrad (01) mit einer Radnabe (02) und einem mit der Radnabe (02) verbundenen, getrennt herstellbaren ringförmigen Zahnkranz (03) aus gegenüber dem Zahnrad (01) höheren gegenüber dem Zahnrad (01) belastbareren, verschleißfesteren Werkstoff mit einer Laufverzahnung (04), dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Radnabe (02) und Zahnkranz (03) über eine Verrastung (11, 12) erfolgt, welche den Zahnkranz (03) in axialer Richtung gegenüber der Radnabe (02) fixiert, wobei zumindest ein Teil der Verrastung gleichzeitig eine formschlüssige Verbindung in Umfangsrichtung zwischen Radnabe (02) und Zahnkranz (03) bildet.
Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem die Laufverzahnung (04) tragenden Zahnkranz (03) zugewandten Außenfläche (05) der Radnabe (02), sowie auf einer dieser Außenfläche (05) zugewandten Innenfläche (06) des Zahnkranzes (03) eine Passverzahnung (07) angeordnet ist.
Zahnrad (01) mit einer Radnabe (02) und einem mit der Radnabe (02) verbundenen, getrennt herstellbaren ringförmigen Zahnkranz (03) aus einem hochbelastbaren, verschleißfesten Werkstoff mit einer Laufverzahnung (04), dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem die Laufverzahnung (04) tragenden Zahnkranz (03) zugewandten Außenfläche (05) der Radnabe (02), sowie auf einer dieser Außenfläche (05) zugewandten Innenflä che (06) des Zahnkranzes (03) eine Passverzahnung (07) angeordnet ist.
Zahnrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Radnabe (02) und Zahnkranz (03) über eine Verrastung (11, 12) erfolgt, welche den Zahnkranz (03) in axialer Richtung gegenüber der Radnabe (02) fixiert, wobei zumindest ein Teil der Verrastung gleichzeitig eine formschlüssige Verbindung in Umfangsrichtung zwischen Radnabe (02) und Zahnkranz (03) bildet.
Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Radnabe (02) und Zahnkranz (03) eine Schicht aus einem elastisch verformbaren Material angeordnet ist.
Zahnrad nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in Umfangsrichtung zwischen den Zähnen (19) der Passverzahnung (07) Elemente (20) aus elastisch verformbarem Material angeordnet sind.
Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Radnabe (02) und der Zahnkranz (03) miteinander verklebt sind.
Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Radnabe (02) und der Zahnkranz (03) miteinander verschweißt sind.
Zahnrad nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrastung in axialer Richtung an der Radnabe (02) angeordnete Rastnasen (11) und im Zahnkranz (03) angeordnete Ausnehmungen (12) mit mit den Rastnasen (11) korrespondierenden Hintergreifungen umfasst.
Zahnrad nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrastung zumindest im Bereich der Zähne (13) der Passverzahnung (07) an der Radnabe (02) und/oder am Zahnkranz (03) eine Nut (14), und zumindest im Bereich der Zahnzwischenräume (15) der Passverzahnung (07) am Zahnkranz (03) und/oder an der Radnabe (02) einen mit der Nut (14) korrespondierenden Steg (16) umfasst.
Zahnrad nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrastung eine erste, am Außenumfang (05) der Radnabe (02) angeordnete umlaufende Nut, eine zweite, am Innenumfang (06) des Zahnkranzes angeordnete umlaufende Nut, sowie einen in den beiden Nuten einlegbaren Federring umfasst.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radnabe (02) aus einem Kunststoff besteht.
Zahnrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnkranz (03) aus einem Kunststoff besteht.
Zahnrad nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff die Festigkeit erhöhende Materialien (17, 18, 21) enthält.
Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnkranz (03) aus Metall besteht.
Zahnrad nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Radnabe (02) aus einem Kunststoff besteht, welcher die Festigkeit erhöhende Materialien (17, 18, 21) enthält.