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TECHNISCHER
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft Werkzeuge
für die Herstellung
von Zahnrädern,
insbesondere Zahnrädern
in Verbundbauweise, die aus einem starren Material, beispielsweise
Metall, ebenso wie aus einem thermoplastischen Material gebildet
werden, und sie betrifft ebenfalls die Herstellung derartiger Werkzeuge.
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Zahnräder, die aus einem starren
Material wie z. B. Metall oder Metallegierungen bestehen, sind bekannt
und werden bei vielen Anwendungen eingesetzt. Solche Zahnräder können hohen
Lastdrehmomenten widerstehen, haben aber insofern einen wesentlichen
Nachteil, als sie beim Eingriff mit anderen Metallzahnrädern sehr
geräuschvoll
arbeiten.
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Zahnräder, die aus thermoplastischem
Material bestehen, sind gleichfalls bekannt und sind zur Verminderung
des durch die Metallzahnräder
erzeugten Geräuschs
eingesetzt worden. Thermoplastische Zahnräder haben jedoch insofern erhebliche Nachteile,
als sie hohen Lastdrehmomenten nicht ohne Beschädigung ihrer Zähne widerstehen
können und
verschleißanfälliger als
Metallzahnräder
sind.
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Um die Probleme von Metallzahnrädern bzw. thermoplastischen
Zahnrädern
zu lösen,
wurden verschiedene Versuche zur Herstellung von Verbundzahnrädern unternommen,
die einige Metallkomponenten und einige thermoplastische Komponenten aufweisen.
US-A-3719103, erteilt am 6. März
1973 an Streander, offenbart einen solchen Versuch, bei dem eine
thermoplastische Tafel zwischen zwei starre Stahlplatten geschichtet
wird und die Baugruppe danach zusammengeschraubt wird. Ein Zweck
des Zahnrads gemäß US-A-3719103
besteht darin, das Nenndrehmoment des Zahnrads unter normalen Lastbedingungen
im Vergleich zu Zahnrädern
zu erhöhen,
deren Zähne
ausschließlich
aus einem thermoplastischen Material bestehen. Das erhöhte Nenndrehmoment
wird dadurch erreicht, daß die Stahlplatten
die Verbiegung des Kunststoffs steuern, da der Kunststoff zwischen
die beiden Stahlplatten geschichtet ist. Das Nenndrehmoment wird
erhöht, so
daß unter
normalen Bedingungen höhere
Lasten aufgenommen werden können.
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Eine weitere Aufgabe der Konstruktion
in US-A-3719103 ist die Geräuschminderung
des Zahnrads. Obwohl bei der patentierten Konstruktion eine gewisse
Geräuschminderung
erzielt wird, entwickelt das Zahnrad noch immer ein beträchtliches
Geräusch,
da die beiden Stahlplatten die Verbiegung der Kunststoffzähne begrenzen.
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Die deutsche Patentanmeldung DE-A-2901816,
veröffentlicht
am 31. Juli 1980, offenbart gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 bzw. 11 ein Verbundzahnrad, das einen starren Körper mit starren
Zahnabschnitten an seinem Umfang und Schichten aus thermoplastischem
Material an gegenüberliegenden
Seiten der starren Zahnabschnitte aufweist, sowie ein Verfahren
zur Herstellung eines solchen Zahnrads. Das Gegenrad kommt jedoch dennoch
in Eingriff mit den starren Zahnabschnitten der Verbundzahnrads
und entwickelt ein erhebliches Geräusch.
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Das Französische Patent 1289509 offenbart das
Formen eines Zahnrades aus Kunststoffmaterial, wobei der geformte
Körper
und die Zähne
des Zahnrades innen durch einen Metallkern getragen werden, um den
herum das Zahnrad geformt wird. Dieser erwähnte bisherige Stand der Technik
offenbart die charakteristischen Merkmale, wie sie im Oberbegriff des
Patentanspruches 1 und bzw. 7 definiert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es wird ein Werkzeug für die Herstellung
eines Zahnrades in Verbundbauweise offenbart, wobei das Zahnrad
so ausgeführt
ist, daß es
beispielsweise die Zahnradgeräusche
bedeutend verringert, wenn man mit Zahnrädern in Verbundbauweise nach
dem bisherigen Stand der Technik vergleicht, während dennoch gestattet wird,
daß hohe
Drehmomentkräfte ohne
Beschädigung
unter Notfallbedingungen aufgenommen werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt
einzigartige Wekzeugbestückungs-
und Fertigungsverfahren zur Herstellung eines Zahnrades in Verbundbauweise bereit.
Um das Verbundzahnrad so zu fertigen, daß sich die thermoplastischen
Zahnabschnitte in Umfangsrichtung und von den starren Zähnen des
Körperabschnitts
radial nach außen
erstrecken, muß der Fluß des thermoplastischen
Materials während
des Formverfahrens so gesteuert werden, daß das thermoplastische Material
die starren Zahnabschnitte nicht überformt. Um ein solches Überformen
zu verhindern, ist es wichtig, den starren Körperabschnitt genau im Werkzeug
zu zentrieren und den Abstand zwischen den starren Zahnabschnitten
und dem Werkzeug zu begrenzen.
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In Übereinstimmung mit einem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Werkzeug bereitgestellt,
das zur Herstellung eines Zahnrades in Verbundbauweise mit einer
Vielzahl von Zahnradzähnen verwendet
wird, wobei die Zahnradzähne
aus mindestens einem starren Körper
und zwei gegenüberliegenden
Schichten aus einem thermoplastischen Material gebildet werden,
wobei das Werkzeug aufweist:
eine Platte;
einen Hohlraum
in der Platte, wobei der Hohlraum teilweise durch eine Fläche der
Platte definiert wird;
eine Vielzahl von Werkzeugzähnen, die
in der Fläche definiert
werden, wobei zwei benachbarte Werkzeugzähne verwendet werden, um einen
der Zahnradzähne
zu bilden; und
mindestens einen zentrierenden Vorsprung, der
sich von einem entsprechenden Werkzeugzahn in den Raum zwischen
dem Werkzeugzahn und einem benachbarten Werkzeugzahn, bei Benutzung,
für das Zentrieren
der Zahnradzähne
des starren Körpers zwischen
entsprechenden Paaren von Werkzeugzähnen erstreckt.
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Vorzugsweise umfaßt mindestens ein Vorsprung
eine Vielzahl von Vorsprüngen,
und wobei sich zwei der Vorsprünge
von gegenüberliegenden Seiten
des gleichen Werkzeugzahnes aus erstrecken.
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Vorzugsweise weist der oder jeder
Vorsprung eine kegelförmige
Fläche
auf, die den starren Körper
in eine gewünschte
Position führt.
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Zweckmäßigerweise beträgt der Abstand zwischen
dem starren Körper
und den Werkzeugzähnen
von 0,0127 bis 0,1016 mm (0,0005 bis 0,004 in.), wenn der starre
Körper
im Hohlraum zentriert wird, außer
in der Nähe
des mindestens einen Vorsprunges.
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Wünschenswerterweise
weisen mindestens einige der Werkzeugzähne einen mittleren Abschnitt und
zwei Seitenabschnitte auf gegenüberliegenden Seiten
des mittleren Abschnittes auf, und dabei sind die mindestens einigen
Werkzeugzähne
so geformt, daß ihre
entsprechenden mittleren Abschnitte in einer Umfangsrichtung größer sind
als ihre Seitenabschnitte.
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Zweckmäßigerweise sind die mittleren
Abschnitte von 0,0254 bis 0,1778 mm (0,001 bis 0,007 in.) größer als
die Seitenabschnitte in der Umfangsrichtung.
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Die Erfindung beruht außerdem auf
einem Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges, das verwendet
wird, um ein Zahnrad in Verbundbauweise herzustellen, das die folgenden
Schritte aufweist:
Bilden eines Hohlraumes in einer Platte,
wobei der Hohlraum teilweise durch eine Fläche in der Platte definiert
wird, wobei die Fläche
eine Vielzahl von Werkzeugzähnen
aufweist;
Bearbeiten mindestens einiger der Werkzeugzähne, so
daß die
einigen Werkzeugzähne
gegenüberliegende
erste und zweite Seitenabschnitte und einen mittleren Abschnitt
aufweisen, der zwischen dem ersten und zweiten Seitenabschnitt angeordnet
ist, wobei der mittlere Abschnitt größer ist als die Seitenabschnitte
in einer Umfangsrichtung; und
Ausbilden mindestens eines zentrierenden
Vorsprunges an einem Werkzeugzahn, wobei sich der Vorsprung in den
Raum zwischen dem Werkzeugzahn und einem benachbarten Werkzeugzahn
erstreckt.
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Vorzugsweise umfaßt der Schritt des Bildens des
Hohlraumes: das Bilden einer Öffnung
in der Platte; und das Elektroerosivbearbeiten der Fläche des
Hohlraumes bei Verwendung eines stromführenden Drahtes.
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Wünschenswerterweise
umfaßt
der Schritt des Bearbeitens: das Umkreisen einer Elektrode in einem
ersten Abschnitt des Hohlraumes, um die ersten Seitenabschnitte
auszubilden; und das Umkreisen der Elektrode in einem zweiten Abschnitt
des Hohlraumes, um die zweiten Seitenabschnitte auszubilden.
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Vorzugsweise umfaßt das Verfahren außerdem das
Bewegen der Elektrode durch den Hohlraum vor dem ersten Schritt
des Umkreisens.
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Wünschenswerterweise
umfaßt
der Schritt des Ausbildens das Ausbilden von zwei zentrierenden
Vorsprüngen
auf gegenüberliegenden
Seiten von mindestens einigen der Werkzeugzähne.
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Vorzugsweise umfaßt das Verfahren ebenfalls
eine kegelförmige
Gestaltung des mindestens einen oder jeden zentrierenden Vorsprunges.
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Wünschenswerterweise
umfaßt
der Schritt des kegelförmigen
Gestaltens das Anwenden einer Elektrode bei mindestens einem zentrierenden
Vorsprung.
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Diese und weitere charakteristischen
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden jenen Fachleuten
aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführung und
den Zeichnungen ersichtlich, die zeigen:
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Seitenansicht einer Verbundzahnrads nach einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine Seitenansicht einer Metallamelle, die im Körper des Verbundzahnrads gemäß 1 verwendet wird.
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3 zeigt
eine Schnittansicht von der Schmalseite eines Zahnrads nach der
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, geschnitten entlang der Linie 3-3 von 1.
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4 zeigt
eine Seitenansicht, welche die Verbundzähne gemäß der vorliegenden Erfindung
im Eingriff mit den Zähnen
eines Gegenrades bei normalem Betrieb darstellt, geschnitten entlang
der Linie 4-4 von 1.
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5 zeigt
die Verbundzähne
gemäß der vorliegenden
Erfindung im Eingriff mit Zähnen
des Gegenrades während
eines anomalen Zustands, wie z. B. eines plötzlichen Anhaltens.
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6 zeigt
eine Schnittansicht eines einzelnen Verbundzahns nach der ersten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung entlang der Linie 6-6 von 4.
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7 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8 zeigt
eine Schnittansicht eines Verbundzahns nach der zweiten Ausführungsform
entlang der Linie 8-8 von 7.
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9 zeigt
eine Schnittansicht des Verbundzahnrads nach der zweiten Ausführungsform
entlang der Linie 9-9 von 7.
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10 zeigt
eine Schnittansicht des Verbundzahnrads nach der zweiten Ausführungsform entlang
der Linie 10-10 von 7.
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11 zeigt
eine vergrößerte Darstellung mehrerer
Zähne gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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12 zeigt
eine Schnittansicht eines Verbundzahns entlang der Linie 12-12 von 11.
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Die 13 bis 28 zeigen das Fertigungsverfahren
eines Werkzeugs, das zur Herstellung des Verbundzahnrads verwendet
wird.
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13 zeigt
eine Draufsicht einer Platte mit einer darin befindlichen Öffnung.
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14 zeigt
eine schematische Seitenansicht, die einen in der Öffnung von 13 angeordneten Draht und
eine Elektroerosionsvorrichtung darstellt.
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15 zeigt
eine Draufsicht der Platte, die den Werkzeughohlraum nach einer
Elektroerosionsbearbeitung darstellt.
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16 zeigt
eine durch den Werkzeughohlraum von 15 hindurchgehende
Graphitelektrode.
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17 zeigt
die Graphitelektrode von 16,
die in umgekehrter Richtung durch den Werkzeughohlraum hindurchgeht.
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18 zeigt
eine vergrößerte Draufsicht
eines Werkzeugs und eines Teils der Graphitelektrode.
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19 zeigt
eine Schnittansicht entlang der Linie 19-19 von 18, die einen kleinen Spalt zwischen
dem Werkzeug und der Elektrode darstellt.
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20 zeigt
einen seitlichen Schnitt entlang der Linie 20-20 von 18, der einen relativ großen Spalt
zwischen der Graphitelektrode und dem Werkzeug darstellt.
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21 zeigt
eine Seitenansicht, welche die Graphitelektrode darstellt, die in
einem ersten Abschnitt des Werkzeughohlraums in kreisförmige Bewegung
versetzt wird, um einen ersten Seitenabschnitt der Werkzeugzähne auszubilden.
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22 zeigt
eine Seitenansicht, welche die Graphitelektrode darstellt, die in
einem zweiten Abschnitt des Werkzeughohlraums in kreisförmige Bewegung
versetzt wird, um einen zweiten Seitenabschnitt der Werkzeugzähne auszubilden.
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23 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
der Graphitelektrode und des Werkzeugs entlang der Linie 23-23 von 22.
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24 zeigt
einen seitlichen Schnitt entlang der Linie 24-24 von 23, der die Position der
Elektrode in den 21 und 22 bezüglich des Werkstücks darstellt.
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25 zeigt
einen seitlichen Schnitt entlang der Linie 25-25 von 23, der die Position der
Elektrode in den 21 und 22 bezüglich des Werkzeugs darstellt.
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26 zeigt
eine Seitenansicht einer zweiten Graphitelektrode, die zur konischen
Bearbeitung der Zentriervorsprünge
des Werkzeugs verwendet wird.
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27 zeigt
eine vergrößerte Draufsicht
der zweiten Elektrode und des Werkzeugs entlang der Linie 27-27
von 26.
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28 zeigt
einen seitlichen Schnitt durch die zweite Elektrode und das Werkzeug
entlang der Linie 28-28 von 27.
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Die 29 bis 40 beziehen sich auf die
Verfahren, die zur Fertigung des erfindungsgemäßen Verbundzahnrads angewandt
werden.
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29 zeigt
eine Seitenansicht der Formbauteile nach einem ersten Verfahren
bei geöffneter Form.
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30 zeigt
eine Seitenansicht der Form von 29 bei
geschlossener Form.
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31 zeigt
eine vergrößerte Draufsicht
einer Kombination aus starrem Zahnabschnitt und Werkzeug bei geschlossener
Form.
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32 zeigt
einen seitlichen Schnitt durch den starren Zahnabschnitt und das
Werkzeug entlang der Linie 32-32 von 31.
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32A zeigt
eine Schemazeichnung, welche die Abstände zwischen den Verbundzahnradkomponenten
und dem Werkzeug in 32 darstellt.
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33 zeigt
einen seitlichen Schnitt der Kombination aus starrem Zahnabschnitt
und Werkzeug entlang der Linie 33-33 von 31.
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34 zeigt
einen seitlichen Schnitt, der das geschmolzene thermoplastische
Material in den von den Zentriervorsprüngen entfernten Bereichen darstellt.
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34A zeigt
eine vergrößerte Darstellung eines
Teils von 34.
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35 zeigt
einen seitlichen Schnitt des geschmolzenen thermoplastischen Materials
in einem Bereich in der Nähe
eines Zentriervorsprungs.
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36 zeigt
einen seitlichen Schnitt, der das thermoplastische Material nach
dem Wegschrumpfen vom Werkzeug in einem von dem Zentriervorsprung
entfernten Bereich darstellt.
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36A zeigt
eine Schemazeichnung, welche die Abstände zwischen den Verbundzahnradkomponenten
und dem Werkzeug nach dem Schrumpfen der thermoplastischen Materials
darstellt.
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37 zeigt
einen seitlichen Schnitt, der das thermoplastische Material nach
dem Wegschrumpfen vom Werkzeug in einem Bereich in der Nähe eines
Zentriervorsprungs darstellt.
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38 zeigt
eine Form in geöffneter
Stellung, die nach einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens verwendet
werden kann.
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39 zeigt
die Form in geschlossener Stellung, die bei der zweiten Ausführungsform
des Verfahrens eingesetzt wird.
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40 zeigt
eine vergrößerte Draufsicht
der Kombination aus starrem Zahnabschnitt und Werkzeug gemäß der zweiten
Ausführungsform
des Verfahrens.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die 1 und 3 zeigen eine erste Ausführungsform
des Verbundzahnrads gemäß der vorliegenden
Erfindung. In den 1 und 3 weist das Verbundzahnrad 10 eine
erste Schicht 12 aus einem thermoplastischen Material,
eine zweite Schicht 14 aus einem thermoplastischen Material
und einen Körperabschnitt 16 auf,
der vorzugsweise aus zwei gestanzten Stahlplatten 18 und 20 besteht.
Die Schichten 12 und 14 können gleichmäßige oder
ungleichmäßige Dicken
aufweisen.
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An jeder der thermoplastischen Schichten 12 und 14 sind
mehrere Zahnabschnitte ausgebildet. Ein vollständiger Verbundzahn 11 des
Zahnrads ist in 6 abgebildet.
In 6 besteht der Verbundzahn 11 aus
einem thermoplastischen Zahnabschnitt 22, der am Umfang
der ersten Schicht 12 ausgebildet ist, einem thermoplastischen
Zahnabschnitt 24, der am Umfang der zweiten Schicht 14 ausgebildet
ist, und Zahnabschnitten 26 bzw. 28, die am Umfang
der Platten 20 bzw. 18 ausgebildet sind. Jeder
der Verbundzähne
in dem Verbundzahnrad weist die gleiche Zusammensetzung wie die
in 6 dargestellten Verbundzähne 11 auf.
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Wie wieder aus 1 und 3 erkennbar,
weist das Verbundzahnrad 10 außerdem eine Nabe 30 aus einem
thermoplastischen Material auf, die so angepaßt ist, daß sie eine Welle (nicht dargestellt)
aufnimmt. Bei einer Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die
Welle eine Nockenwelle eines Verbrennungsmotors, und das Zahnrad 10 ist
ein im Motor verwendetes Verbund-Nockenwellenrad. Natürlich kann
die vorliegende Erfindung bei den verschiedensten Anwendungen eingesetzt
werden und ist nicht auf die Verwendung als Nockenwellenräder beschränkt.
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Die vorliegende Erfindung eignet
sich jedoch besonders gut für
die Verwendung als Nockenwellenräder,
da die an den Zähnen
des Nockenwellenrades angreifenden Lastdrehmomente unter normalem
Betriebsbedingungen relativ mäßig sind.
Die Lastdrehmomente können
jedoch unter Notfallbedingungen, die zu einem plötzlichen Anhalten des Nockenwellenrades
führen,
beträchtlich
ansteigen.
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2 zeigt
eine der Platten, die zur Ausbildung des Körperabschnitts 16 verwendet
werden. In 2 weist die
Platte 20 an ihrem Umfang mehrere Zahnabschnitte 32 auf,
die sich in Radialrichtung erstrecken. Die Platte 20 weist
ebenso wie die Platte 18 mehrere darin angebrachte Öffnungen 34 auf,
wobei die Öffnungen
aufeinander ausgerichtet sind, wie in 3 dargestellt.
Die Öffnungen 34 sind
groß genug, um
während
der Fertigung des Verbundzahnrads 10 ein geschmolzenes
thermoplastisches Material aufzunehmen. Das geschmolzene Material,
das zur Ausbildung der thermoplastischen Schichten 12 und 14 verwendet
wird, tritt durch die Öffnungen 34 hindurch,
so daß die
Schichten 12 und 14 aneinander sowie an den Platten 18 und 20 des
Körperabschnitts 16 verankert
werden. 3 zeigt am besten
das erstarrte thermoplastische Material, das innerhalb der Öffnungen 34 angeordnet
ist und alle Komponenten aneinander verankert. Die meisten Öffnungen 34 sind
in Umfangsnähe
der Platten 18 und 20 angeordnet. Einige von den Öffnungen 34 sind
jedoch zwischen der Nabe 30 (1)
und den Zahnradzähnen angeordnet,
um die Ausbildung von thermoplastischen Rippen 36 (1) zu ermöglichen.
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4 zeigt
Verbundzähne 11 gemäß der vorliegenden
Erfindung im Eingriff mit Gegenzähnen 38 eines
Gegenrades bei normalem Betrieb unter normalen Lasten. Wie in 4 dargestellt, kommen die
nach außen
ragenden thermoplastischen Abschnitte 22a der thermoplastischen
Zahnabschnitte 22 bei normalen Lasten mit den entsprechenden Oberflächen 40 von
Zähnen 38 in
Eingriff, so daß die Metallabschnitte
der Verbundzähne 11 mit
den Oberflächen 40 nicht
wesentlich in Eingriff kommen. Das heißt, die thermoplastischen Abschnitte 22 und 24 der
Verbundzähne 11 werden
bei normalen Lasten nicht wesentlich zusammengedrückt. Im
Vergleich zu den starren Zahnabschnitten 26 und 28 ragen
die Zahnabschnitte 22 und 24 um etwa 0,0005 bis
0,004 Zoll nach außen.
Die Zahnabschnitte 22 und 24 können um einen größeren Abstand
nach außen
ragen, aber dann muß das
Verbundzahnrad mit Hilfe eines anderen Fertigungsverfahrens als
des hier beschriebenen hergestellt werden.
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Bei höheren Lasten werden die nach
außen ragenden
Abschnitte 22a der Zahnabschnitte 22 tatsächlich an
den Punkten 22b in 5 zusammengedrückt. Unter
Hochlastbedingungen, wie sie beispielsweise bei einem plötzlichen
Anhalten des Zahnrads 10 auftreten, werden die Abschnitte 22a der
Zahnabschnitte 22 durch die Kräfte zusammengedrückt, die
durch die Gegenzähne 38 auf
diese Abschnitte ausgeübt
werden. Auf ähnliche
Weise wie die Zahnabschnitte 22 ragen die thermoplastischen Zahnabschnitte 24 nach
außen
und werden zusammengedrückt.
Unter diesen Hochlastbedingungen werden die höheren Lastdrehmomente durch
die starren Abschnitte der Verbundzähne 11 aufgenommen,
nämlich
die Zahnabschnitte 28 bzw. 26 der Platten 18 bzw. 20.
Die thermoplastischen Zahnabschnitte 22 und 24 werden
zusammengedrückt
und können sich
frei wegbiegen, so daß die
höheren
Lastdrehmomente durch die Metallzahnabschnitte aufgenommen werden.
Da die Metallzahnabschnitte im allgemeinen Lastdrehmomente nur unter
anomalen Bedingungen aufnehmen, entwickeln die Verbundzähne ein
sehr geringes Geräusch,
wenn sie mit den Gegenzähnen 38 unter
normalen Betriebsbedingungen ineinandergreifen.
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Das in dem Verbundzahnrad verwendete thermoplastische
Material ist so gewählt,
daß es
sich nur unter anomalen Lastbedingungen zusammendrücken läßt und unter
normalen Betriebsbedingungen den Lastdrehmomenten standhält. Nylon
ist ein bevorzugtes thermoplastisches Material zur Verwendung bei
der vorliegenden Erfindung, obwohl auch andere Materialien eingesetzt
werden können.
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Die 7 bis 10 betreffen eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verbundzahnrads.
Die zweite Ausführungsform
unterscheidet sich in verschiedenen wichtigen Punkten von der oben
diskutierten ersten Ausführungsform.
Zunächst erstrecken
sich die thermoplastischen Zahnabschnitte in der zweiten Ausführungsform
von ihrer ersten Schicht bzw. zweiten Schicht nach außen in Richtungen,
die parallel zur Längsachse
des Nockenrades und der Nockenwelle sind, die durch die Nabe des Nockenrades
hindurchgeht. Der Zweck dieses Merkmals ist, zu ermöglichen,
daß sich
die thermoplastischen Zahnabschnitte unter dem Angriff der Drehmomentkräfte noch
stärker
verbiegen als bei der ersten Ausführungsform.
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Ein zweiter Unterschied zwischen
der zweiten Ausführungsform
und der ersten Ausführungsform
ist, daß die
zweite Ausführungsform
mehrere radial verlaufende thermoplastische Rippen aufweist, die
auf der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet sind,
um den thermoplastischen Zahnabschnitten zusätzlichen Halt zu bieten.
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7 zeigt
eine auseinandergezogene Darstellung eines Teils eines Nockenrades
nach der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In 7 weist
das Nockenrad 42 mehrere an seinem äußeren Umfang angeordnete Verbundzähne 44 auf.
Wie am besten in den 8 und 9 dargestellt, besteht jeder
Verbundzahn aus zwei gestanzten Metallplatten 46 und 48 sowie
aus einer ersten Schicht 50 und einer zweiten Schicht 52,
die beide aus einem thermoplastischen Material bestehen, wie z.
B. aus Nylon. Jede der Platten 46 und 48 weist starre
Zahnabschnitte auf, die jeweils an ihrem äußeren Umfang angeordnet sind,
wie am besten in 9 dargestellt.
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Jede der Schichten 50 und 52 weist
thermoplastische Zahnabschnitte 54 bzw. 56 auf,
die jeweils an ihrem äußeren Umfang
angeordnet sind. Die Zahnabschnitte 54 bzw. 56 erstrecken
sich von ihren entsprechenden Schichten 50 bzw. 56 in
Axialrichtung nach außen,
d. h. in einer Richtung, die parallel zu der (nicht dargestellten)
Welle ist, die in der Nabe des Nockenrades angeordnet ist (1). Die thermoplastischen
Zahnabschnitte 54 und 56 erstrecken sich außerdem von
den starren Zahnabschnitten in Radialrichtung und in Umfangsrichtung
nach außen, wie
oben in Verbindung mit der ersten Ausführungsform erörtert wurde.
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Der Zweck der Ausdehnung der Zahnabschnitte 54 und 56 in
Axialrichtung besteht darin, zu ermöglichen, daß sich die Zahnabschnitte unter
dem Angriff von Drehmomentkräften
stärker
verbiegen. Unter ungewöhnlich
hohen Drehmomentkräften
können
sich die Zahnabschnitte 54 und 56 leichter in
Axialrichtung verbiegen als bei der ersten Ausführungsform, wodurch ermöglicht wird,
daß die
höheren
Lastkräfte
durch die starren Zahnabschnitte der Platten 46 und 48 aufgenommen
werden.
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Wie gleichfalls in 7 dargestellt, weist die zweite Ausführungsform
mehrere radial verlaufende Rippen 58 auf, die für einen
zusätzlichen
Halt für
die vertieften bzw. Kehlabschnitte 60 der thermoplastischen
Zahnabschnitte sorgen. Die Rippen 58 sind vorzugsweise
sowohl auf der ersten Schicht 50 als auch auf der zweiten
Schicht 52 angebracht, wodurch sie die Kehlabschnitte sowohl
der ersten Schicht als auch der zweiten Schicht unterstützen.
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Die 11 und 12 zeigen ebenfalls Verbundzähne 62 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Wie am besten in 12 dargestellt,
weist jeder der Verbundzähne 62 zwei
starre Zahnabschnitte 64 und 66, eine erste Schicht 68 aus
einem thermoplastischen Material und eine zweite Schicht 70 aus
einem thermoplastischen Material auf. Es kann eine andere Anzahl
von starren Zahnabschnitten verwendet werden, wie z. B. einer, drei
oder mehr. Jeder der starren Zahnabschnitte geht von einer starren
Platte oder Lamelle aus, wie oben diskutiert. Wie am besten in 12 dargestellt, ragt jeder
der thermoplastischen Zahnabschnitte 68a und 70a gegenüber den
starren Zahnabschnitten 64 und 66 in Umfangsrichtung
nach außen.
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Der Anmelder entdeckte, daß die vorangehend
beschriebenen Zahnräder
in Verbundbauweise nicht bei Verwendung der normalen Werkzeugausstattung
hergestellt werden können,
ohne daß starre Zahnradabschnitte 64 und 66 übergossen
werden, wenn Schichten 68a und 70a und thermoplastische Zahnradabschnitte 68A und 70A gebildet
werden. Wenn nicht eine spezielle Werkzeugausstattung und Verfahren
zur Anwendung gebracht werden, wird das thermoplastische Material
einfach über
die starren Zahnradabschnitte 64 und 66 fließen, wodurch
der Vorteil eliminiert wird, daß sich
die thermoplastischen Zahnradabschnitte radial und peripher nach
außen erstrecken,
um Kräfte
während
des normalen Gebrauchs des Zahnrades aufzunehmen. Wie aus 12 erkannt werden kann,
muß das
Werkzeug, das zur Herstellung des Zahnrades in Verbundbauweise eingesetzt
wird, selbst Zahnradzähne
mit einzigartigen Profilen aufweisen, um die Form der Zähne 62 am
Zahnrad in Verbundbauweise zu erreichen. Die 13 bis 28 stellen
das Verfahren und die Vorrichtung dar, die zur Fertigung dieser
einzigartigen Werkzeugbestückung eingesetzt
werden. Das Verfahren beginnt, wie in 13 dargestellt,
mit einer Platte 72, in der eine Öffnung 74 angebracht
ist. Wie in 14 dargestellt,
wird in Verbindung mit der Öffnung
eine Elektroerosionsvorrichtung eingesetzt. Die Elektroerosionsvorrichtung
weist eine erste Elektrode 76, eine zweite Elektrode 78 und
einen zwischen den Elektroden 76 und 78 angeschlossenen
Metalldraht 80 auf. Wie dem Fachmann bekannt, wird durch
den Draht ein Strom geleitet, und der Draht wird so bewegt, daß ein Hohlraum 82 (15) entsteht, der teilweise
durch eine Fläche 84 mit
mehreren darin grob ausgebildeten Werkzeugzähnen 86 begrenzt wird.
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Im nächsten Schritt, der in 16 abgebildet ist, wird
eine Graphitelektrode 88 in einer ersten Richtung durch
den Hohlraum 82 und die Platte 72 geführt. Wie
in 17 dargestellt, wird
die Graphitelektrode 88 dann in umgekehrter Richtung durch
den Hohlraum 82 zurückgezogen. 18 zeigt die im Hohlraum 82 angeordnete
Elektrode 88, wobei die Elektrode eine Außenfläche aufweist,
an der sich Elektrodenzähne 88a befinden,
die annähernd
die gleiche Form wie die grob geformten Werkzeugzähne 86 aufweisen.
Wie in 18 dargestellt,
weist jeder der grob geformten Werkzeugzähne 86 zwei gegenüberliegende
Zentriervorsprünge 90 auf,
die von einer Außenfläche 86a der
Werkzeugzähne 86 ausgehen.
Die Zentriervorsprünge
dienen zum Zentrieren der starren Körperabschnitte des Verbundzahnrads
während
des Zahnradfertigungsprozesses, wie weiter unten ausführlicher
diskutiert wird.
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Wie am besten in 19 dargestellt, ist der Zwischenraum 89 zwischen
dem Werkzeug 72 und dem Elektrodenzahn 88a in
der Nähe
des Fußes
des Werkzeugzahns 86 sehr klein. Andererseits ist der Zwischenraum 91 zwischen
dem Werkzeug 72 und dem Elektrodenzahn 88a in
der Nähe
der Zentriervorsprünge 90 erheblich
größer, wie
am besten in 20 dargestellt.
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Um das in 12 abgebildete Verbundzahnprofil zu erzielen,
müssen
die Zähne
der Werkzeugs 72 ein entsprechendes Profil aufweisen. Dieses Werkzeugzahnprofil
wird mit Hilfe der Schritte erzeugt, die nachstehend in Verbindung
mit den 21 bis 28 dargestellt und beschrieben
werden.
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Der nächste Schritt nach dem Schritt
17 besteht in einer kreisenden Bewegung der Elektrode 88 in
einem ersten oder oberen Abschnitt des Werkzeughohlraums 82,
um einen ersten Seitenabschnitt 92 der Werkzeugzähne zu erzeugen.
Siehe dazu 21. Im nächsten Schritt,
der in 22 abgebildet ist,
wird dann die Elektrode 88 durch den Hohlraum 82 geführt und
in einem zweiten oder unteren Abschnitt des Hohlraums in kreisende
Bewegung versetzt, um einen zweiten Seitenabschnitt 94 der
Werkzeugzähne
zu erzeugen. In 23 ist
die Graphitelektrode 88 in der Anordnung zwischen zwei
benachbarten Werkzeugzähnen 86 dargestellt.
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24 zeigt
eine seitliche Schnittansicht entlang der Linie 24-24 von 23, die den Elektrodenzahn 88a sowohl
in der ersten oder oberen Position (21)
als auch in der zweiten oder unteren Position (22) darstellt. Wenn sich der Elektrodenzahn 88a in
der oberen Position befindet und in kreisende Bewegung versetzt
wird, wie in 21 dargestellt,
erzeugt er einen ersten Seitenabschnitt 92 des Werkzeugzahns 86.
Wenn sich die Elektrode 88 in der zweiten Position befindet,
erzeugt sie einen zweiten Seitenabschnitt 84 des Werkzeugzahns 86. Das
entstehende Profil des Werkzeugzahns 86 sieht so aus, daß der Werkzeugzahn
zwei Seitenabschnitte 92 und 94 und einen dazwischenliegenden
Mittelabschnitt 96 aufweist, das in Umfangsrichtung um etwa
0,001 bis 0,007 Zoll größer ist
als die ersten und zweiten Profile 92 bzw. 94.
Dieses Werkzeugzahnprofil, das aus den Abschnitten 92, 94 und 96 besteht,
ist im allgemeinen komplementär
zu dem in 12 dargestellten
Verbundzahnprofil.
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Wie in 25 dargestellt,
ist zwischen den Zentriervorsprüngen
90 am Werkzeugzahn 86 und dem Elektrodenzahn 88a ein
beträchtlicher
Zwischenraum vorhanden, ungeachtet dessen, ob sich der Elektrodenzahn
in der oberen oder unteren Position befindet. Folglich verändert die
Elektrode nicht die Form der Zentriervorsprünge 90.
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Die Form der Zentriervorsprünge wird
jedoch durch Verwendung einer zweiten Graphitelektrode 100 verändert, wie
in den 26 bis 28 dargestellt. In den 26 bis 28 wird die zweite Graphitelektrode 100 so
in den Werkzeughohlraum 82 abgesenkt, daß die abgestumpften
Elektrodenzahnabschnitte 100a in Eingriff mit den Zentriervorsprüngen 90 kommen (27 und 28). Als Ergebnis erzeugt die Elektrode, die
nicht in kreisende Bewegung versetzt wird, Führungsflächen 90a an den Zentriervorsprüngen 90,
die dazu dienen, die starren Metallzahnabschnitte während des
Formprozesses des Verbundzahnrads in den Werkzeughohlraum einzuführen, wie
weiter unten diskutiert wird. Auf diese Weise wird die genaue Position
der starren Körperteile
des Verbundzahnrads vor dem Formen durch die kegelförmigen Zentriervorsprünge zentriert
und festgelegt, um sicherzustellen, daß der Abstand zwischen den
starren Zahnabschnitten und den Werkzeugzahnabschnitten ein Überformen
der Metallzahnabschnitte verhindert, wenn das thermoplastische Material
in die Form fließt.
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Die 29 bis 40 beziehen sich auf das
Verfahren, das zum Formen des erfindungsgemäßen Verbundzahnrads angewandt
wird.
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In 29 besteht
die Form aus einem ersten Formabschnitt 102, einem zweiten
Formabschnitt 104 und dem Werkzeug 72. Die starren
Körperabschnitte
oder Lamellen 65 und 67 werden in das Werkzeug 72 eingesetzt
und durch den Formabschnitt 102 in Position gedrückt. In 30 ist die Form in geschlossener
Stellung mit den eingesetzten starren Körperabschnitten dargestellt.
Die starren Körperabschnitte
werden durch kegelförmige Zentriervorsprünge 90 in
die richtige Position geführt (31). Wie in 31 dargestellt, erstrecken sich die kegelförmigen Zentriervorsprünge 90 von
der Außenfläche der
Werkzeugzähne 86 und
kommen in Eingriff mit den starren Zahnabschnitten 64 und 66, um
die Metallamellen zu zentrieren. Bei richtiger Zentrierung besteht
zwischen den starren Zahnabschnitten 64 und 66 einerseits
und der Platte 72 oder den Werkzeugzahnabschnitten 86 andererseits
ein Spalt 106 von etwa 0,0127 bis 0,1016 mm (0,0005 bis 0,004
Zoll), vorzugsweise von 0,050 mm (0,002 Zoll), außer in der
Nähe der
Zentriervorsprünge 90.
Dieser Spalt wird weiter unten ausführlicher diskutiert.
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Die 32, 32A, 34, 34A, 36 und 36A zeigen alle die starren Körperabschnitte
in der Form in einem von den Zentriervorsprüngen 90 entfernten
Bereich. Die 33, 35 und 37 zeigen die Position der starren Körperabschnitte
an den Zentriervorsprüngen.
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32 zeigt
eine seitliche Schnittansicht der starren Körperabschnitte, die im Hohlraum 82 des Werkzeugs 72 angeordnet
sind. Der Spalt 106 ist in 32 abgebildet
und ist deutlicher in 32A dargestellt.
Der Spalt 106 ist der Abstand zwischen den starren Körperabschnitten
einerseits und dem Mittelabschnitt 96 des Werkzeugzahns 86 andererseits. Wie
am besten in 32A dargestellt,
ist der Mittelabschnitt 96 größer als die Seitenabschnitte 92 und 94 (32) jedes Werkzeugzahns.
Außerdem
weist das Werkzeugzahnprofil einen Übergangsabschnitt 108 zwischen
dem Seitenabschnitt 92 und dem Mittelabschnitt 96 sowie
einen Übergangsabschnitt 110 zwischen
dem Seitenabschnitt 94 und dem Mittelabschnitt 96 auf
(32). Wie in 32A dargestellt, ist die
Oberfläche
des Übergangsabschnitts 108 abgewinkelt
und bildet einen Winkel 111 von etwa 20° zur Ebene P. Der Übergangsabschnitt 110 bildet entsprechend
einen Winkel von etwa 20° zur
Ebene P. Wie wieder aus 32A erkennbar,
ragt der Mittelabschnitt 96 in Umfangsrichtung um einen
Abstand D von 0,0254 bis 0,1778 mm (0,001 bis 0,007 Zoll) (vorzugsweise
von etwa 0,1016 mm (0,004 Zoll)) über die ersten und zweiten
Seitenabschnitte 92 und 94 hinaus (32).
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Wie in 33 dargestellt,
stoßen
die starren Zahnabschnitte 64 und 66 an die Zentriervorsprünge 90 an,
wenn die starren Körperabschnitte
in die Form eingebracht werden. Das heißt, zwischen den Zentriervorsprüngen an
den Werkzeugzähnen
und den starren Körperabschnitten 64 und 66 des
Verbundzahnrads befindet sich kein wesentlicher Spalt. Die kegelförmige Fläche 90a des
Zentriervorsprungs 90 (33)
steht etwas weniger hervor als der übrige Zentriervorsprung. Die
starren Metallkörperabschnitte
werden aus der oberen Richtung in 33 in
die Form eingebracht und entlang der Fläche 90a in die richtige
Position geführt.
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Die 34 bzw. 35 zeigen den nächsten Schritt
im Formverfahren in Bereichen, die von den Zentriervorsprüngen entfernt
bzw. diesen benachbart sind. In 34 fließt geschmolzenes
thermoplastisches Material auf den beiden an die Metallzahnabschnitte 64 und 66 angrenzenden
Seiten, um einen ersten thermoplastischen Zahnabschnitt 112 und
einen zweiten thermoplastischen Zahnabschnitt 114 zu erzeugen.
Das thermoplastische Material kann jedoch nicht in den relativ kleinen
Spalt 106 zwischen dem Mittelabschnitt 96 des
Werkzeugzahns und den starren Zahnabschnitten 64 und 66 des
Verbundzahnrads fließen.
Auf diese Weise wird ein Überformen
der starren Zahnabschnitte verhindert.
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34A zeigt
eine vergrößerte Darstellung von 34, die den Spalt 106 zwischen
dem Mittelabschnitt 96 des Werkzeugzahns einerseits und
den Zahnabschnitten 64 und 66 des starren Körpers andererseits
deutlicher darstellt. Wie in 34A abgebildet,
tritt zwischen dem geschmolzenen thermoplastischen Material und
dem Werkzeugzahn 86 auf gegenüberliegenden Seiten der starren
Werkzeugzahnabschnitte 64 und 66 kein Spalt auf.
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Im Bereich in der Nähe des Zentriervorsprungs 90,
wie in 35 abgebildet,
wird das Überformen
verhindert, da zwischen dem Zentriervorsprung 90 einerseits
und den starren Zahnabschnitten 64 und 66 andererseits
kein wesentlicher Spalt auftritt.
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Die 36 und 37 zeigen das Formverfahren,
nachdem das thermoplastische Material erstarrt ist und sich durch
Schrumpfung vom Werkzeug gelöst
hat. 36 zeigt eine Schnittansicht
in einem von den Zentriervorsprüngen
entfernten Bereich, während 37 eine seitliche Schnittansicht
in der Nähe
des Zentriervorsprungs zeigt.
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In den 36 und 36A haben sich die thermoplastischen
Schichten 112 und 114 durch Schrumpfung von den
Seitenabschnitten 92 bzw. 94 des Werkzeugs 72 gelöst, so daß dort jetzt
ein Spalt von etwa 0,002 Zoll zwischen den thermoplastischen Zahnabschnitten 112 und 114 einerseits
und den Seitenabschnitten 92 und 94 andererseits
vorhanden ist. Der Spalt 106 zwischen dem Mittelabschnitt 96 und dem
starren Zahnabschnitten 64 und 66 bleibt der gleiche.
Die Spalte 116 und 118, die sich auf gegenüberliegenden
Seiten des Spalts 106 befinden und an den Spalt 106 angrenzen,
sind jedoch um einen Abstand 107 von etwa 0,0508 mm (0,002
Zoll) größer als
der Spalt 106 und liegen in der Größenordnung von etwa 0,1016
mm (0,004 Zoll).
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Wie in 37 dargestellt,
ist zwischen dem Zentriervorsprung 90 einerseits und den
starren Metallabschnitten 64 und 66 andererseits
kein wesentlicher Spalt vorhanden. Es ist jedoch ein Spalt 120 von etwa
0,0508 mm (0,002 Zoll) zwischen den thermoplastischen Zahnabschnitten 112 und 114 einerseits und
dem Werkzeugzahn 86 andererseits vorhanden.
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Die 38 bis 40 beziehen sich auf eine zweite
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens
für ein
Verbundzahnrad. In 38 ist
die Formbaugruppe nach der zweiten Ausführungsform in geöffneter
Stellung dargestellt. In 38 besteht
die Formbaugruppe aus einem oberen Formabschnitt 122, einem
unteren Formabschnitt 124 und einem Werkzeug 72a.
Das Werkzeug 72a ist ähnlich
dem Werkzeug 72, außer
daß im
Werkzeug 72a jeder Werkzeugzahn 86a (40) nur einen einzigen Zentnervorsprung 90b statt
der zwei Zentriervorsprünge
in der ersten Ausführungsform
aufweisen kann. Natürlich
können
zwei Zentriervorsprünge
verwendet werden. Außerdem
sind die Zentriervorsprünge 90b nicht
kegelförmig,
wie in der ersten Ausführungsform.
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Wie wieder aus 38 erkennbar, werden die starren Körperabschnitte 65 und 67 auf
den zweiten Formabschnitt 124 aufgelegt. Die Form wird
wie zuvor geschlossen, wie in 39 dargestellt.
Die relative Position der Form bezüglich der starren Körperabschnitte 65 und 67 wird
dann verändert,
indem entweder die Formabschnitte 122 und 124 gedreht
oder die Körperabschnitte 65 und 67 innerhalb
der geschlossenen Form gedreht werden. Im einen wie im anderen Fall
werden die Körperabschnitte 65 und 66 gedreht,
bis sie an die Zentriervorsprünge 90b anstoßen. Auf
diese Weise wird der Spalt 106 zwischen den starren Zahnabschnitten 64 und 66 einerseits und
dem Werkzeug 72a andererseits genau festgelegt, um ein Überformen
der starren Zahnabschnitte 64 und 66 während des
Formverfahrens zu verhindern.
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Die hier vorgesehenen Spaltgrößen und
Abstände,
wie z. B. der Spalt 106, werden zwar bevorzugt, aber es
versteht sich, daß andere
Spaltgrößen wird
Abstände
verwendet werden können,
ohne vom Grundgedanken und vom Umfang der vorliegenden Erfindung
abzuweichen. Präzise
gesagt, der Spalt 106 zwischen den starren Körperabschnitten
einerseits und dem Werkzeug andererseits sollte von einer solchen
Größe sein,
daß das Überformen
der starren Metallabschnitte während
des Formverfahrens verhindert wird. Die Spaltgröße kann in Abhängigkeit
von der Natur des thermoplastischen Materials sowie in Abhängigkeit
von anderen Faktoren variieren. Außerdem kann auch der Betrag,
um den die thermoplastischen Abschnitte der Verbundzähne in Umfangsrichtung
und in radialer Richtung größer sind
als die starren Metallzahnabschnitte, sich von den hier vorgesehenen
Werten unterscheiden, ohne vom Grundgedanken und vom Umfang der
vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, daß der Zweck
der größeren thermoplastischen
Zahnabschnitte der Verbundzähne
darin besteht, relativ kleine Lastdrehmomente während des normalen Betriebs
der Vorrichtung aufzunehmen und gleichzeitig bei plötzlichem
Anfahren und Stoppen zu ermöglichen,
daß die
thermoplastischen Abschnitte zusammengedrückt werden, so daß das Hauptzahnrad
mit den starren Zahnabschnitten in Eingriff kommt. Die tatsächlichen
Werte können
sich in Abhängigkeit
von mehreren Faktoren unterscheiden, zu denen die angreifenden Drehmomente,
die verwendeten Materialien und andere Faktoren gehören.
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Daher beziehen sich die obige Beschreibung und
die Zeichnungen auf bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung, es versteht sich aber, daß andere Ausführungsformen
verwendet werden können,
ohne vom Grundgedanken und vom Umfang der vorliegenden Erfindung
abzuweichen. Die Erfindung ist daher nur durch die nachstehenden Patentansprüche zu beschränken.