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Die
Erfindung betrifft ein Drehelement, wie z. B. ein Zahnrad, ein Schwungrad
oder eine Riemenscheibe, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein
Herstellungsverfahren dafür
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15 und ein Aggregat damit nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 24.
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Aus
der Praxis bekannte Drehelemente, wie beispielsweise Zahnräder oder
Riemenscheiben, werden zur Vermeidung von massebedingten Bewegungsenergieverlusten
möglichst
leicht gebaut. Aus der Praxis ist dazu bekannt, zu Zwecken der Gewichtsreduzierung
Stoff- und/oder Formleichtbau zu betreiben. Der Stoffleichtbau wird
durch die Verkehrstechnik getragen. So ist eine allgemeine Bestrebung,
möglichst
leichte Materialien zu verwenden, die jedoch den Funktionserfordernissen
genügen
müssen.
Auch werden in der Praxis allgemein konstruktiv geometrische Optimierungen
von werkstoffspezifisch homogenen Rädern beispielsweise durch Aussparungen
(Formleichtbau) realisiert, wie z. B. Rotorflächen dünner gespannt oder angebohrt.
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Durch
die Funktionsfläche
oder -ausbildung, wie z. B. eine Reibfläche oder Zahnflanken, wird
der in der Regel schwere Werkstoff des gesamten Bauteils bestimmt.
Dies ist jedoch unter Aspekten statischer und dynamischer Massen
nachteilig.
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Es
ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Drehelement so
auszugestalten und herzustellen, dass eine weitergehende Gewichtsreduzierung
erzielt erreicht wird.
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Dieses
Ziel wird erfindungsgemäß durch
ein Drehelement nach dem Anspruch 1 erreicht.
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Somit
schafft die Erfindung ein Drehelement, mit einem Drehkörper und
einem diesen umgebenden ringartigen Transmissionskranz, der aus
funktionsorientiertem Material besteht, wobei der Drehkörper zumindest
im wesentlichen aus einem Leichtbauwerkstoff besteht.
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Durch
die Erfindung werden als wesentliche Vorteile geringere Massen in
Aggregaten mit einem solchen Drehelement erreicht, was zu geringeren
statischen Lasten und dynamischen Anlaufmomenten führt und weiter
eine Verringerung des Energieverbrauchs in solchen Aggregaten zur
Folge hat. Zusätzlich
wird materialbedingt noch eine Schallpegelreduzierung durch den
Leichtbauwerkstoff erreicht.
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Die
Ausweitung der Anwendungsfelder von Leichtbauwerkstoffen, insbesondere
von Magnesiumbasiswerkstoffen, wird durch werkstofftechnische Grenzen,
wie z. B. geringere Festigkeit und verminderter Abrasivwiderstand,
etc., begrenzt. Eine Übertragung
von Erkenntnissen aus der Kfz-Technik ist nur dadurch erfolgreich,
dass durch die vorliegende Erfindung neben Werkstoff- auch Konstruktionskonzepte
eingesetzt werden, die höheren
Leistungsdichten gerecht werden. Somit schafft die vorliegende Hybridbauweise
massenreduzierte Volumenwerkstoffen und funktionsorientierte. Insbesondere
beispielsweise, aber nicht ausschließlich in der Nutzfahrzeugindustrie
mit ihren größeren Aggregatdimensionen
kommt der Vorteil von dichtereduzierten statischen und bewegten
Massen besonders zum Tragen.
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Die
aus der Praxis zum Anmeldetag bekannte Massenreduzierung durch z.
B. den Formleichtbau ist nicht vergleichbar mit dem Effekt der vorliegenden
Erfindung.
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Vorzugsweise
besteht der Drehkörper
zumindest im wesentlichen aus einem Leichtmetall. Insbesondere ist
der Transmissionskranz ein Zahnkranz, ein Reibkranz, ein Schwungkranz
oder ein Riemenführungskranz
und kann als Toroid oder als wenigstens ein Segment ausgeführt sein.
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Weiter
kann mit Vorzug ferner eine Nabe und/oder Buchse vorgesehen sein,
die vom Drehkörper
umgeben ist und aus funktionsorientiertem Material besteht.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass der Transmissionskranz und/oder ggf.
die Nabe und/oder Buchse zumindest im wesentlichen aus einem hochfesten,
hochzähen
Werkstoff und/oder einem Werkstoff hoher Dichte bestehen/besteht.
Dabei ist bevorzugt, wenn der Transmissionskranz und/oder ggf. die
Nabe und/oder Buchse zumindest im wesentlichen aus einem Stahl-
oder Aluminiumbasiswerkstoff bestehen/besteht. Eine noch weitere
vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, dass der Transmissionskranz
und/oder ggf. die Nabe und/oder Buchse zumindest im wesentlichen
aus St52-Stahl oder (klassischem) Zahnradstahl bestehen/besteht.
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Von
besonderem Vorzug ist es, wenn der Drehkörper zumindest im wesentlichen
aus einem Magnesium-, Aluminium- und/oder Titanbasiswerkstoff besteht.
Die Verwendung von insbesondere Magnesium als Leichtbauwerkstoff
führt in
besonders vorteilhafter Weise parallel zu reduzierten zu beschleunigenden
Massen zu einer Verringerung von Betriebsgeräuschen durch die hohe Dämpfung des
Magnesiumbasiswerkstoffes per se. Der mit der vorliegenden Erfindung
des Stoffleichtbaus einhergehende positive Nebeneffekt von geringeren Betriebsgeräuschen bei
der Verwendung von Magnesiumbasiswerkstoffen, auch im Hinblick auf
eine anthropologisch angepasstere Konstruktion, ermöglicht zahlreiche
weitere Einsparungen oder Reduzierungen, wie z. B. von gesonderten
Dämmmaßnahmen.
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Eine
weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, dass die
Verbindung zwischen Drehkörper
und Transmissionskranz und/oder ggf. zwischen Drehkörper und
Nabe und/oder Buchse eine Presspassung, eine Schrumpfpassung, einen
Stoffschluss und/oder einen Formschluss enthält. Die kraftschlüssige Verbindung
(Presspassung, Schrumpfpassung) hat einen besonders hohen Stellenwert,
da sie den Verbund mit der geringstmöglichen Anzahl an Teilen und
Prozessen realisiert. Dabei wird die Paarung von zwei betroffenen
Komponenten vorzugsweise auf- oder eingeschrumpft und erhält ihre
Festigkeit durch geeignet festgelegte Verhältnisse von E-Modul und Wärmeausdehnungskoeffizient.
Eventuell erforderliche thermische Nachbehandlungen beispielsweise
eines Magnesiumbasiswerkstoffes für den Drehkörper können auf Temperaturhorizonten
stattfinden, die den Werkstoff von Transmissionskranz und/oder Nabe
und/oder Buchse, wie z. B. Stahl, nicht tangieren.
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Ferner
kann mit Vorzug und Vorteil vorgesehen sein, dass die Verbindung
zwischen Drehkörper
und Transmissionskranz und/oder ggf. zwischen Drehkörper und
Nabe und/oder Buchse unrund geschliffene bis prismatisch gespante
Kontaktflächen
zur Bildung eines Formschlusses hat.
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Vorzugsweise
Realisierungen der Erfindung bestehen darin, dass das Drehelement
ein Zahnrad, ein Reibrad, ein Schwungrad oder eine Riemenscheibe
im Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs ist. Insbesondere kann es
sich um ein Schwungrad eines Motoranlassers, ein Zahnrad in einem
Getriebe, insbesondere mit hohen Drehzahlschwankungen, ein Zahnrad
in einem Kraftfahrzeug mit dem Erfordernis einer Achslastverschiebung
und dergleichen handeln.
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Es
ist außerdem
besonders bevorzugt, wenn der Drehkörper einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
und/oder eine höhere
Warmkriechneigung als der Transmissionskranz und/oder ggf. die Nabe und/oder
Buchse hat. Entgegen der allgemein gültigen Konstruktionslehre wird
somit ein Körper
aus einem ersten Werkstoff mit insbesondere höherer Wärmedehnung und höherem Warmkriechverhalten
in einen zweiten Körper
aus einem zweiten Werkstoff mit entsprechend niedrigerer Wärmedehnung
und niedrigerem Warmkriechverhalten vorzugsweise eingepresst.
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Das
Ziel der Erfindung wird auch erreicht mit einem Herstellungsverfahren
für ein
Drehelement mit einem Drehkörper
und einem diesen umgebenden ringartigen Transmissionskranz, der
aus funktionsorientiertem Material besteht, wobei die Komponenten
des Drehelements mit formgebenden Verfahren erstellt werden. Dabei
wird der Drehkörper
zumindest im wesentlichen aus einem Leichtbauwerkstoff hergestellt
und werden der Drehkörper
und der Transmissionskranz durch eine Presspassung, eine Schrumpfpassung,
einen Stoffschluss und/oder einen Formschluss verbunden.
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Dabei
ist weiter bevorzugt, wenn der Drehkörper zumindest im wesentlichen
aus einem Leichtmetall hergestellt wird. Ebenfalls kann mit Vorzug
ferner eine Nabe und/oder Buchse vorgesehen sein, die vom Drehkörper umgeben
ist und aus funktionsorientiertem Material bestehen/besteht, und
dass der Drehkörper
und die Nabe und/oder Buchse durch eine Presspassung, eine Schrumpfpassung,
einen Stoffschluss und/oder einen Formschluss verbunden werden.
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Eine
weitere vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, dass der Transmissionskranz
und/oder ggf. die Nabe und/oder Buchse zumindest im wesentlichen
aus einem hochfesten, hochzähen
Werkstoff und/oder einem Werkstoff hoher Dichte hergestellt werden/wird.
Dies kann insbesondere dadurch realisiert sein, dass der Transmissionskranz
und/oder ggf. die Nabe und/oder Buchse zumindest im wesentlichen
aus einem Stahl- oder Aluminiumbasiswerkstoff hergestellt werden/wird,
wobei insbesondere der Transmissionskranz und/oder ggf. die Nabe
und/oder Buchse zumindest im wesentlichen aus St52-Stahl oder Zahnradstahl
hergestellt werden/wird.
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Es
ist ferner besonders bevorzugt, dass der Drehkörper zumindest im wesentlichen
aus einem Magnesium-, Aluminium- und/oder Titanbasiswerkstoff hergestellt
wird.
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Die
kraftschlüssige
Verbindung (Presspassung, Schrumpfpassung) ist besonders bevorzugt,
da sie den Verbund mit der geringstmöglichen Anzahl an Teilen und Prozessen
realisiert. Dabei wird die Verbindung des Drehkörpers einerseits mit dem Transmissionskranz
und/oder andererseits ggf. mit der Nabe und/oder Buchse vorzugsweise
durch Auf- oder Einschrumpfen bewerkstelligt und erhält ihre
Festigkeit durch geeignet festgelegte Verhältnisse von E-Modul und Wärmeausdehnungskoeffizient.
Eventuell erforderliche thermische Nachbehandlungen beispielsweise
eines Magnesiumbasiswerkstoffes für den Drehkörper können auf Temperaturniveaus
stattfinden, die den Werkstoff von Transmissionskranz und/oder Nabe
und/oder Buchse, wie z. B. Stahl, nicht beeinträchtigen.
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Besonders
bevorzugt ist bei dem Herstellungsverfahren auch, wenn zur Verbindung
zwischen Drehkörper
und Transmissionskranz und/oder ggf. zwischen Drehkörper und
Nabe und/oder Buchse wenigstens zwei direkt zu verbindende Komponenten
vor dem Zusammenfügen
auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden.
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Weiterhin
kann mit Vorzug vorgesehen sein, dass die Verbindung zwischen Drehkörper und
Transmissionskranz und/oder ggf. zwischen Drehkörper und Nabe und/oder Buchse über unrund
geschliffene bis prismatisch gespante Kontaktflächen und somit einen eventuell
zusätzlichen
Formschluss erfolgt.
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Schließlich wird
das Ziel der Erfindung auch durch ein Aggregat mit einem Drehelement
erreicht, das einen Drehkörper
und einen diesen umgebenden Transmissionskranz enthält, der
aus funktionsorientiertem Material besteht, wobei der Drehkörper zumindest
im wesentlichen aus einem Leichtbauwerkstoff besteht, und wobei
das Drehelement in einer Ölumgebung
angeordnet ist.
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Das
dabei verwendete Drehelement ist vorzugsweise entsprechend einer
oder mehrerer der vorher erläuterten
Ausgestaltungsvarianten ausgeführt.
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Dabei
ist bevorzugt, dass die Ölumgebung
durch eine Ölnebelschmierung
gebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann mit Vorzug vorgesehen
sein, dass die Ölumgebung
ein nichtleitendes Öl,
insbesondere ein synthetisches Öl,
enthält.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Aggregat um einen Bestandteil eines Antriebssystems
eines Kraftfahrzeugs, und insbesondere um einen Anlasser, eine Kupplung,
ein Getriebe, ein Ausgleichsgetriebe oder eine Achse eines Kraftfahrzeugs.
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Weitere
bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den gesamten vorliegenden Unterlagen sowie insbesondere
den jeweils abhängigen
Ansprüchen
und deren Kombinationen.
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Die
Erfindung wird anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels nachfolgend
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Drehelementes
in Form eines Zahnrades,
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2 eine
schematische Frontansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Drehelementes
in Form eines Zahnrades,
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3 eine
tabellarische Vergleichsdarstellung von herkömmlicher Bauweise und drei
Ausführungsbeispielen
in und Hybridbauweise jeweils bei Drehelementen,
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4 eine
weitere tabellarische Gegenüberstellung
von herkömmlicher
Bauweise und acht Ausführungsbeispielen
in und Hybridbauweise jeweils bei Drehelementen,
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5 eine
tabellarische Zusammenstellung von Fügegrößen der Verbindung zwischen
Drehkörper und
Nabe eines weiteren Ausführungsbeispiels
des Drehelementes,
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6 eine
tabellarische Zusammenstellung von Fügegrößen der Verbindung zwischen
Drehkörper und
Transmissionskranz des Ausführungsbeispiels
des Drehelementes von 5,
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7 eine
tabellarische Zusammenstellung von Fügegrößen und temperaturrelevanten
Größen der Verbindung
zwischen Drehkörper
und Nabe sowie zwischen Drehkörper
und Transmissionskranz des Ausführungsbeispiels
des Drehelementes von 5 und 6,
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8 eine
tabellarische Zusammenstellung von Temperaturabhängigkeiten bei der Verbindung
zwischen Drehkörper
und Nabe sowie zwischen Drehkörper
und Transmissionskranz des Ausführungsbeispiels des
Drehelementes von 5 bis 7,
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9 Auswirkungen
des Einsatzes von Hybridaufbau-Drehelementen in einem Kfz, und
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10 die
für einen
Herstellvorgang optimalen Fügeparameter
bei Grenzmaßlage.
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Anhand
der nachfolgend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten
Ausführungs- und Anwendungsbeispiele
wird die Erfindung lediglich exemplarisch näher erläutert, d.h. sie ist nicht auf
diese Ausführungs-
und Anwendungsbeispiele oder auf die jeweiligen Merkmalskombinationen
innerhalb der Ausführungs- und
Anwendungsbeispiele beschränkt.
Verfahrens- und Vorrichtungsmerkmale ergeben sich jeweils analog auch
aus Vorrichtungs- bzw. Verfahrensbeschreibungen.
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Einzelne
Merkmale, die im Zusammenhang mit einem konkreten Ausführungsbeispiel
angeben und/oder dargestellt sind, sind nicht auf das Ausführungsbeispiel
oder die Kombination mit den übrigen
Merkmalen dieses Ausführungsbeispiels
beschränkt,
sondern können
im Rahmen des technisch Möglichen,
mit jeglichen anderen Varianten, auch wenn sie in den vorliegenden
Unterlagen nicht gesondert behandelt sind, kombiniert werden.
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Anhand
der Darstellungen in der Zeichnung werden auch solche Merkmale deutlich,
die nicht mit Bezugszeichen versehen sind, unabhängig davon, ob solche Merkmale
nachfolgend beschrieben sind oder nicht. Andererseits sind auch
Merkmale, die in der vorliegenden Beschreibung enthalten, aber nicht
in der Zeichnung sichtbar oder dargestellt sind, ohne weiteres für einen
Fachmann verständlich.
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Einzelne
Ausgestaltungsmöglichkeiten
und Varianten von Lagerbuchsen ergeben sich aus den vorherigen allgemeinen
Darstellungen. Daraus ergeben sich zahlreiche Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung, und diese Ausführungsbeispiele aus den Merkmalskombinationen
der vorherigen allgemeinen Darstellungen sind hiermit durch Bezugnahme
auch Bestandteil der nun folgenden Befassung mit Ausführungsbeispielen.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Drehelementes 1 in Form eines Zahnrades ist in der 1 in einer
Seitenansicht gezeigt. Das Drehelement 1 enthält einen
Drehkörper 2,
einen diesen umgebenden ringartigen Transmissionskranz 3 sowie
eine Nabe 4, die von dem Drehkörper 2 umgeben ist.
Innerhalb der Nabe 4 liegt noch eine Buchse 5.
Durch die Hell- und Dunkel-Darstellungen in der Abbildung der 1 werden
lediglich symbolhaft die verschiedenen Materialien des Drehkörpers 2 einerseits
und von Transmissionskranz 3, Nabe 4 sowie Buchse 5 andererseits
verdeutlicht. Alle Komponenten des Drehelementes 1, d.h.
der Drehkörper 2,
der Transmissionskranz 3, die Nabe 4 und die Buchse 5 haben
in der Achsenrichtung des als Zahnrad ausgebildeten Drehelementes 1 dieselbe
Dicke.
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Bei
einem zweiten Ausführungsbeispiel
eines Drehelementes 1 wiederum in Form eines Zahnrades gemäß der 2 verdeutlicht
die schematische perspektivische Darstellung, dass der Drehkörper 2,
der Transmissionskranz 3, die Nabe 4 und die Buchse 5 in
der Achsenrichtung des Drehelementes 1 nicht dieselbe Dicke
haben, und zwar bei diesem Beispiel so, dass die Dicke vom Transmissionskranz 3 über den
Drehkörper 2 und
dann die Nabe 4 bis zur Buchse 5 hin immer geringer
wird. Im übrigen
stimmen das erste Ausführungsbeispiel
gemäß der 1 und
das zweite Ausführungsbeispiel
gemäß der 2 aber überein,
so dass die nachfolgende Beschreibung weiterer Merkmale für beide
Ausführungsbeispiele
gemeinsam gilt.
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Die
Kombination aus der Nabe 4 und der Buchse 5 kann
auch als Wellensitz 6 bezeichnet werden und besteht bei
den beiden Ausführungsbeispielen
gemäß den 1 und 2 beispielsweise
zumindest im wesentlichen aus einem St52-Stahl. Alternativ kann
insbesondere in Abhängigkeit
von Belastungsanforderungen und Anwendungsgebieten auch nur die
Nabe 4 oder nur die Buchse 5 vorgesehen sein.
Der Transmissionskranz 3 ist bei den beiden Ausführungsbeispielen
gemäß den 1 und 2 als
Zahnfuß 7 mit
Zähnen 8 ausgebildet.
Statt des Zahnfußes 7 mit
den Zähnen 8 könnte der
Transmissionskranz 3 auch beispielsweise eine Reibfläche (nicht
gezeigt) oder eine Umfangsnut (nicht gezeigt) enthalten, wie sie
bei einer Riemenscheibe (nicht gezeigt) als Drehelement 1 realisiert
wäre. Der
Transmissionskranz 3 besteht zumindest im wesentlichen
aus einem hochfesten, hochzähen
Werkstoff, wie z. B. einem St52-Stahl.
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Der
Drehkörper 2 kann
auch als Zahnradvolumen bezeichnet werden und ist durch den Materialring zwischen
dem Wellensitz 6 und dem Zahnfuß 7 gebildet. Bei
herkömmlichen,
bereits vor dem vorliegenden Anmeldetag in der Praxis weit verbreitet
verwendeten Drehelementen 1, wie beispielsweise Zahnrädern, ist dieses
Zahnradvolumen aus demselben Material gebildet, wie der Wellensitz 6 und
der Zahnfuß 7.
Gegenüber diesem
Stand der Technik weist das Drehelement 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie sie exemplarisch durch die Ausführungsbeispiele in den 1 und 2 realisiert
ist, als wesentliches Merkmal die Substitution des herkömmlichen
Materials des Zahnradvolumens in Form des für den Wellensitz und den Zahnfuß verwendeten
Materials durch einen Leichtbauwerkstoff auf. Bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 ist
dieser Leichtbauwerkstoff zumindest im wesentlichen Magnesium. Alternativ
kann aber beispielsweise auch Aluminium oder Titan oder vorzugsweise
auch ein anderes Leichtmetall verwendet werden.
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Ganz
wesentlich ist die Hybridbauform des Drehelements, wie der Zahnräder gemäß den zwei
Ausführungsbeispielen
in den 1 und 2, beispielsweise als Verbund
von Magnesium und Stahl. Diese überragende
Bauform wurde durch die ingenieurtechnische Neubewertung der Wärmeausdehnungsproblematik
und Kontaktkorrosionscharakteristik des Verbundes möglich. Die
unterschiedlichen Wärmeausdehnungen
der beteiligten Materialien sind erfindungsgemäß beherrschbar, indem dabei
berücksichtigt
wird, dass durch sie beispielsweise eine Presspassung nicht erweicht,
durch die jedenfalls die Komponenten Drehkörper 2 einerseits
und Transmissionskranz 3 sowie Nabe 4 und/oder
Buchse 5 andererseits bei den beiden Ausführungsbeispielen
gemäß den 1 und 2 und
im übrigen
bevorzugt verbunden sind. Die Stärke
und Haltbarkeit dieser bevorzugten aber dennoch nur exemplarischen
Verbindung kann durch eine Begrenzung des Außendurchmessers der Presspassung
und somit des absoluten Öffnungsmaßes kontrolliert
werden. Überschlagsrechnungen
haben hier auf eine Übertragbarkeit
statischer Momente bis 1000 Nm bei einem Kontaktkreisdurchmesser
von 90 mm geführt.
Bei kleinerem Drehmoment kann der Kreisdurchmesser größer werden. Durch
iterative Berechnungen kann eine maximale Bauteildimensionierung
in Abhängigkeit
von verwendeten Materialien beziffert werden. Die Fertigung jeglichen
Verbundes des Drehelements 1 kann allgemein durch Kraft-(Pressverbund),
Stoff- oder Formschluss erfolgen, wobei letzterer beispielsweise
durch unrund geschliffene bis prismatisch gespante Kontaktflächen realisiert
sein kann. Eine Kontaktkorrosion, wie sie üblicherweise einer Kombination
der bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen
verwendeten Materialien als nachteilig entgegengehalten würde, träte nur in
wässrigen
Elektrolyten auf. Einfache Vorversuche in Ölen und Beobachtungen des Korrosionsverhaltens
haben jedoch das unkritische Verhalten von Magnesiumwerkstoffen
im Verbund mit Stählen
in Ölumgebungen
bestätigt
und erweitern erfindungsgemäß die Anwendungsgrenzen
drastisch.
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Durch
den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen in der Hybridbauweise können beispielsweise
in der Größenordnung
von 10 % oder mehr die statischen Massen von Drehelementen 1,
wie beispielsweise Zahnrädern, Reibrädern, Rollen
und Riemenscheiben, reduziert werden. Neben der statischen Masse
wird die dynamische Masse und somit das Anlaufmoment reduziert,
wodurch die gesamte Transmissionseinheit, wie z. B. der gesamte
Zahntrieb, leichter wird, indem beispielsweise ganze Gruppen benachbarter
Zahnräder
in der Hybridbauweise ausgeführt
werden. Damit werden ganze Aggregate, die mit solchen Drehelementen
ausgestattet sind, insgesamt schlanker und leichter. Diese Einsparungen
gehen über
den Stand der Technik weit hinaus, bei dem Drehelemente, wie beispielsweise
Zahnräder
und Scheiben, in den Aggregaten überwiegend
einem reinen Strukturleichtbau durch Fertigungs- und Topologieoptimierung
unterworfen werden, weil die Kontakt- und Reibungsflächen hohe
Festigkeiten und Zähigkeiten
erfordern. Durch die vorliegende Erfindung wird dagegen ferner erreicht,
dass durch die Hybridbauweise, und nicht nur die bekannten Stoff-
und Strukturleichtbaumaßnahmen,
eine noch größere Vielzahl
von Baugruppen und Aggregaten profitieren kann.
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Durch
die Verwendung insbesondere von Magnesium im Drehkörper 2,
d. h. im Volumen, von An-, Abtriebs- und Übergangsrädern wird ferner die Akustik
derart ausgestatteter Baugruppen und Aggregate wesentlich verbessert,
wobei es sich neben dem Leichtbau um eine explizite Forderung insbesondere
im Fahrzeugbau handelt und dies selbst einen höheren Fertigungsaufwand rechtfertigen
würde.
Der Fertigungsaufwand hält
sich aber auch bei erfindungsgemäßen Drehelementen
in Grenzen, da durch geringere Fertigungstoleranzen durch verbessertes
Resonanzverhalten aufgefangen werden. Hinsichtlich Magnesium ist
noch anzuführen und
zu betonen, dass es sich dabei um den am besten dämpfenden
reinmetallischen Werkstoff handelt, dessen exzellentes Dämpfungsvermögen bereits
seit Jahrzehnten in der Praxis beispielsweise bei Getriebegehäusen auch
für hochlegierte
Magnesiumwerkstoffe und insbesondere im relevanten Frequenzbereich
genutzt wird.
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Mit
den Drehelementen 1 lassen sich somit masse- und schallpegelreduzierte
Aggregate, wie insbesondere Getriebe, aber auch andere Baugruppen
nicht nur in Fahrzeugen, herstellen und betreiben, die höhere massespezifische
Leistungen aufweisen. Insbesondere in Kraftfahrzeugen, die durch
Serienfertigung in hohen Stückzahlen
hergestellt werden, wirkt sich die damit verbundene Gewichtsersparnis
und ferner damit erreichbare günstigere
Gewichtsverteilung enorm aus.
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Nachfolgend
werden weitere Ausführungsbeispiele,
die wegen des einfachen Aufbaus in der Zeichnung nicht gesondert
dargestellt sind, näher
spezifiziert.
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Bei
dem Drehelement 1 kann es sich beispielsweise um ein Schwungrad
handeln. Der Transmissionskranz eines solchen Schwungrades stellt
im wesentlichen den Masseträger
davon dar und besteht aus einem Werkstoff hoher Dichte. Das so genannte
Volumen des Schwungrades, d. h. der Drehkörper, besteht aus einem Leichtbauwerkstoff,
im besonderen einem Leichtmetall, wie z. B. einem Magnesium- oder
Aluminiumbasiswerkstoff. Dadurch wird das Trägheits- und somit Anlaufmoment
signifikant reduziert.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des Drehelements 1 ist ein Treibrad. Die Kontaktfläche eines
solchen Treibrades, d. h. die Außenumfangsseite des Transmissionskranzes,
wird aus einem klassischen Zahnradstahl oder Stahl- oder Aluminiumbasiswerkstoffen
hergestellt. Der wieder als Volumen bezeichnete Drehkörper besteht
aus beispielsweise einem Magnesiumbasiswerkstoff. Um einer ggf.
erhöhten
Flächenpressung des
Lagers zu genügen,
ist der Einsatz einer Nabe und/oder einer Buchse aus funktionsspezifischem
Werkstoff möglich.
Solche Treibräder
können
z. B. in Rad- oder Riemenpaarungen eingesetzt werden.
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Wie
bereits erwähnt,
kann für
die Erfüllung
von Festigkeitsanforderungen an eine Paarung aus Drehelement 1 und
einer dieses tragenden Welle (nicht gezeigt), auch kurz Rad/Welle-Paarung
genannt, fakultativ eine Buchse aus einem festeren Werkstoff, z.
B. einem St52-Stahl, in den Leichbauwerkstoff des Drehkörpers eingesetzt
sein.
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Die
in der Fachwelt verbreiteten Befürchtungen
einer erhöhten
Korrosion insbesondere von Magnesium in Kontaktpaarung beispielsweise
mit Stahl kann mit korrosionsfesteren Werkstoff begegnet werden.
Erfahrungen aus Vorversuchen zeigen zudem, dass in einer Ölnebelschmierung
nicht mit technisch relevanter Korrosion zu rechnen ist. Im besonderen
können
nichtleitende, z. B. synthetische Getriebeöle verwendet werden.
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Ferner
können
die massentragenden Komponenten, d. h. insbesondere der Transmissionskranz,
sowohl als Toroid als auch als wenigstens ein Segment appliziert
werden.
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Für jegliches
erfindungsgemäße Drehelement
gilt als wesentlicher Vorteil, dass geringere Massen auch in ganzen
Aggregaten, wie beispielsweise Getrieben, zu geringeren statischen
Lasten und dynamischen Anlaufmomenten führen. Diese beiden Aspekte
wiederum führen
zu einer deutlichen Verringerung des Energieverbrauchs beim Betrieb
des Drehelements selbst und erst recht bei ganzen damit ausgestatteten
Systemen. Im Kfz-Bereich wird damit ein wesentlicher Leichtbau insbesondere
auf der Vorderachse und insgesamt eine deutliche Reduzierung rotierender
Massen erreicht. Beispielsweise können dabei 1.7-St, ADI, FeAl-X,
AlX als Werkstoffe zur Massereduzierung eingesetzt werden. Der bereits
beschriebene Effekt der Masse- und Geräuschreduzierung wird durch
die Verwendung von Magnesium als Leichtbauwerkstoff erzielt. Neben
Getrieben insbesondere zur Drehzahlübersetzung sind auch Ausgleichsgetriebe,
Kupplungen, Anlasser, An- und Abtriebsachsenbaueinheiten und vieles
mehr geeignete Aggregate, bei denen das erfindungsgemäße Drehelement 1 mit
Vorteil zum Einsatz kommen kann.
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Mit
Vorteil lässt
sich die Hybridbauweise des Drehelementes 1 zur weiteren
Gewichtseinsparung noch mit einer entsprechenden Topologieoptimierung
kombinieren, wie sie bereits beim Stand der Technik realisiert ist.
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Beim
direkten Vergleich eines reinen Stahlzahnrades mit einem Durchmesser
von 110 mm mit einem gemäß dem Drehelement 1 ausgebildeten
baugrößengleichen
Zahnrad mit einem Mg-Läufer,
d. h. einem Drehkörper 2 aus
Magnesium, ergibt sich ein enormer Gewichtsvorteil. Das Stahlzahnrad
weist infolge einer Topologieoptimierung eine Masse von 967 g auf.
Dagegen hat das drehelementgemäße Zahnrad
in der Hybridbauweise mit dem Mg-Drehkörper nur eine Masse von 882
g. Die absolute Einsparung beträgt
somit 85 g und liegt bei diesem Ausführungsbeispiel in der Größenordnung
von knapp 10 %.
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In
der 3 sind tabellarisch physikalische Größen einzelner
Materialkombinationen der Hybridbauweise im Vergleich zur herkömmlichen
Bauweise aus 16MnCr5 dargestellt. Weiterer Vergleich eines herkömmlichen
Stahl-Zahnrades mit Hybridbauformen zeigt die tabellarische Gegenüberstellung
in der 4.
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Noch
ein weiteres Ausführungsbeispiel
ist hinsichtlich seiner Fügegrößen und
Temperaturverhalten in den
5 bis
8 verdeutlicht.
Die
5 zeigt eine tabellarische Zusammenstellung von
Fügegrößen der Verbindung
zwischen Drehkörper
und Nabe eines weiteren Ausführungsbeispiels
des Drehelementes. Die
6 zeigt eine tabellarische Zusammenstellung
von Fügegrößen der
Verbindung zwischen Drehkörper
und Transmissionskranz des Ausführungsbeispiels
des Drehelementes von
5. Die
7 zeigt
eine tabellarische Zusammenstellung von Fügegrößen und temperaturrelevanten
Größen der
Verbindung zwischen Drehkörper
und Nabe sowie zwischen Drehkörper
und Transmissionskranz des Ausführungsbeispiels
des Drehelementes von
5 und
6. Die
8 zeigt
eine tabellarische Zusammenstellung von Temperaturabhängigkeiten
bei der Verbindung zwischen Drehkörper und Nabe sowie zwischen
Drehkörper
und Transmissionskranz des Ausführungsbeispiels
des Drehelementes von
5 bis
7. Insbesondere
zeigt die
8 die Auswirkungen von Betriebstemperaturen
von Raumtemperatur RT, minimal angenommener Temperatur –10 °C sowie maximal
angenommener Temperatur 140 °C
auf den Fugendruck, die Drehmomentkapazität und die Axialkraftkapazität bei dem
herangezogenen Ausführungsbeispiel
mit eine Stahl-Radnabe, einem Mg-Rad- oder Drehelementkörper und
einem Stahl-Zahnkranz oder allgemein -Transmissionselement. Dabei
lässt sich eine
Auslegung als Ausgleichsrad und Antriebsrad durch eine ausgewogene
Drehmomentkapazität
realisieren. Bei Antriebsrädern
kann gefordert werden, dass "innere" und "äußere" Pressverbindungen für die Auslegungstemperatur
etwa die gleiche Drehmomentübertragungskapazität aufweisen
sollen. Dies kann bei gleicher Fügelänge innen/außen durch
entsprechende Auslegung der Durchmessergrundabmaße und Toleranzen in der Regel
erreicht werden. Die weiteren Größen bei
dem vorliegend erläuterten
Ausführungsbeispiel
sind:
| Innendurchmesser: | ri = 13 mm |
| Außendurchmesser: | ra = 52,27 mm |
| mindestens übertragbare
Axialkraft: | Fax,gr = = 1843 × 20 × 0,12/1000 = ~4,4 kN |
| mindestens übertragbares
Drehmoment: | Md,gr = = 76184 × 20 × 0,12/1000 = 183 Nm |
| maximaler
Fugendruck in PvN: | 113,4
N/mm2 |
| maximaler
Fugendruck in PvZ: | 79,6
N/mm2 |
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Damit
lassen sich Verschiebungen und Vergleichsspannungen für ΔT berechnen.
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Verfahrensmäßig werden
somit die Presspassungen zur Verbindung von Drehkörper 2 einerseits
mit dem Transmissionselement 3 bzw. andererseits mit der
Nabe 4 bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel als Schrumpfpassungen
ausgeführt,
d.h. die Zusammenfügeschritte
werden bei erhöhten
Temperaturen ausgeführt,
bei denen die jeweiligen Komponenten durch thermische Ausdehnung
vergrößert sind.
Dadurch lassen sich die Komponenten leichter koaxial zusammenpressen
und wird infolge des Schrumpfens der Komponenten beim Abkühlen ein
noch festerer Halt erreicht.
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Die
Auslegung der Pressverbindung mit einem Durchmesser 36 H8/x8 sowie
Durchmesser 84 H7/s6 des vorstehend betroffenen Ausführungsbeispiels
lässt sich
folgendermaßen
zusammenfassen. Wenn eine Montage beispielsweise bei 166 °C über RT beim
Mg-Radkörper
und 228 °C über RT beim
St-Zahnkranz im Grenzbereich liegen sollte, kann das Fügespiel
verkleinert werden (dabei ist zu beachten, dass der Umstand, ob
ein Fügespiel
reduziert werden kann, von den Gegebenheiten bei der Montage der
Teile abhängt).
Die Axialkraftkapazität
des Zusammenbaus beträgt
~4,4 kN, und sie wird durch die PvZ bei T = –10 °C begrenzt (min. Übermaß bei der
Pv; μ =
0,12, Fügelänge 20 mm).
Die Drehmomentkapazität
des Zusammenbaus beträgt ~183
Nm. Sie wird durch PvZ und PvN bei T = –10 °C begrenzt (min. Übermaß bei der
Pv; μ= 0,12,
Fügelänge 20 mm).
Die Beanspruchung des Zahnkranzes ist im Intervall –10 °C ... +140 °C stets kleiner
als die der Nabe (diese Aussage gilt für den hier beschriebenen Anwendungsfall
mit dem darin festgelegten oder durch die Verzahnungsauslegung vorgegebenen
Außendurchmesser;
bei anderen Zahnkranz-Außendurchmessern
kann die Zahnkranzbeanspruchung die Nabenbeanspruchung übersteigen).
Die max. GEH-Vergleichsspannungen in
der Nabe treten bei Tmax = 140°C in deren
Innendurchmesser auf (gilt so für
das vorliegende Ausführungsbeispiel
und nicht allgemein für
alle denkbaren Fälle):
σGEH,Nb,innen =
480 N/mm2 (soll !<! ~640 N/mm2).
-
Die
max. GEH-Vergleichsspannung im Rad- oder Drehkörper tritt stets in dessen
Innendurchmesser auf und variiert zwischen
σGEH,Rk,innen =
100 N/mm2 (... 190 N/mm2 in
kleinem Endbereich) bei Tmax = 140 °C, und
σGEH,Rk,innen =
150 N/mm2 (... 217 N/mm2 in
kleinem Endbereich) bei Tmin = –10 °C (soll !<! ~156 N/mm2)
-
Dies
zeigt, dass die Forderung nach einer "rein elastischen Auslegung" bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
im gesamten Temperaturbereich auch bei Vorliegen des jeweils maximalen Übermaßes erfüllt ist (gilt
so für
das vorliegende Ausführungsbeispiel
und nicht allgemein für
alle denkbaren Fälle).
-
In
der 9 sind Auswirkungen des Einsatzes von Hybridaufbau-Drehelementen
in einem Kfz veranschaulicht. Die Skala am rechten Bildrand stellt
die normierte Einsparung in Euro pro kg Massereduzierung dar. Der
jeweilige Wert lässt
sich durch die Höhe
der grauen Fläche
in der Abbildung ablesen. Aus der Abbildung wird somit zweifelsfrei
deutlich, dass besonders große
Einsparpotentiale bei einem Kfz insbesondere im Bereich der Mechanikkomponenten
FM (Frontmotor, Getriebe, Vorderachse) im vorderen Fahrzeugbereich und
weiter bei u. a. Hilfskomponenten SV (Servoantriebe und -mechaniken)
im Fahrgastbereich, Sicherheitseinrichtungen SA vor allem im Fahrgastbereich
bis hin zur Hinterachse HA gegeben sind, wodurch gleichzeitig die
Dringlichkeit entsprechender Maßnahmen
deutlich wird (ebenfalls Höhe
der grauen Fläche
und analog zur Einsparung in Euro pro kg Massereduzierung).
-
Die
nachstehende Tabelle 1 zeigt eine Zusammenstellung der bei verschiedenen
Betriebstemperaturen vorliegenden Auslegungs- und Kenngrößen eines
Doppelquerpressverbandes von Nabe und Radkörper "innen" (hier "PvN" genannt)
und von Radkörper
und Zahnkranz "außen" (hier "PvZ" genannt).
-
-
Montagereihenfolge:
Zuerst wird PvN als Querpressverband nach Erwärmung des Radkörpers gefügt (Nabe
mit RT), danach wird PvZ als Querpressverband nach Erwärmung des
Zahnkranzes gefügt
(Nabe und Radkörper
mit RT)
-
In
diesem Ausführungsbeispiel
werden die Teile durch Schrumpfen gefügt, insbesondere wird zunächst der
erwärmte
Radkörper
aus Mg auf der nicht-erwärmten
Nabe aus St montiert, und wird dieser Zusammenbau auf Raumtemperatur
abgekühlt.
Dann wird der erwärmte
Zahnkranz aus St auf den Radkörper
aufgeschoben.
-
Die
für diesen
Herstellvorgang optimalen Fügeparameter
bei Grenzmaßlage
sind in der 10 dargestellt.
-
Durch
die Funktionsanforderungen an die Baugruppe sind vor Auslegung des
Doppelpressverbandes in der Regel die Werkstoffauswahl, der Innendurchmesser
der Nabe, der äquivalente
Zylinderaußendurchmesser
des Zahnkranzes (= f (Verzahnungsgeometrie)) und die Naben- und
Zahnkranzbreite, sowie bei drehmomentübertragenden Verbindungen (vom
Zahnkranz über
Radkörper
und Nabe auf die Welle) ferner die erforderliche Drehmomentkapazität im Betriebstemperaturbereich,
vorgegeben.
-
In
einem ersten Auslegungsschritt für
drehmomentübertragende
Doppelpressverbände
werden unter Verwendung dieser Eingangsdaten die beiden Fügedurchmesser
und die mittleren Fügeübermaße bei gewählter Auslegungstemperatur
iterativ so bestimmt, dass die Drehmomentkapazität beider Verbindungen etwa gleich
ist und dem geforderten Wert entspricht, und Festigkeitsanforderungen
bzgl. Der statischen Fugendruckbeanspruchung erfüllt werden. Die gegenseitige
Beeinflussung von "innerem" und "äußerem" Presssitz wird dabei berücksichtigt.
-
Der
Auslegungsberechnung liegen folgende Voraussetzungen und Annahmen
zugrunde:
- – die
oben beschriebene Montagereihenfolge (zuerst PvN, dann PvZ) wird
eingehalten
- – zylindrische
Einzelteile gleicher Breite werden als Querpressverband ohne Axialversatz
gefügt
(Scheibenrad mit gleicher Fügelänge von
PvN und PvZ)
- – die
Werkstoffe der Fügeteile
sind homogen und isotrop, und zeigen im einachsigen Zugversuch duktiles Verhalten
- – die
Beanspruchungen der Fügeteile
liegen im rein-elastischen Bereich
- – es
liegt ein ebener Spannungszustand vor
- – im
Nabeninnendurchmesser erfolgt keine Verformungsbehinderung in Radialrichtung.
-
Im
zweiten Auslegungsschritt werden Belastbarkeits- und Beanspruchungsanalysen
für den
gesamten Betriebstemperaturbereich durchgeführt, und so die Fügedurchmesser-Abmaße bestimmt.
Dabei wird geprüft, ob
- – das
geforderte Drehmoment in den Grenzmaßfällen sicher übertragen
werden kann, und
- – stets
eine rein-elastische Beanspruchung der Fügeteile vorliegt. Dazu werden
die nach der Schubspannungshypothese berechneten statischen Vergleichsspannungen
mit der Werkstoff-Streckgrenze verglichen.
-
Nach
Festlegung der Fügedurchmesser
und deren Abmaße
werden die erforderlichen Montagetemperaturen ermittelt.
-
Die
Gestaltfestigkeit von Nabe und Zahnkranz, die Zulässigkeit
der Zahnfußzusatzbeanspruchung, und
die Sicherheit gegen Mikrowandern sind in separaten Berechnungsgängen zu
ermitteln.
-
Die
vorstehenden und in den Zeichnungen wiedergegebenen Merkmale und
Merkmalskombinationen der Ausführungsbeispiele
dienen lediglich der exemplarischen Verdeutlichung der Erfindung
und nicht deren Beschränkung.
Der Offenbarungsumfang der vorliegenden gesamten Unterlagen ist
durch das bestimmt, was für
den Fachmann ohne weiteres in den Ansprüchen, aber auch aus der Beschreibung
und der Zeichnung unter Einbeziehung seines Fachwissens und insbesondere
auch des in der Beschreibungseinleitung angegebenen Standes der
Technik, soweit mit den Grundsätzen
der vorliegenden Erfindung kombinierbar, entnehmbar ist und/oder
verstanden wird. Insbesondere umfasst die Erfindung ferner alle
Variationen, Modifikationen, Kombinationen und Substitutionen, die
der Fachmann dem gesamten Offenbarungsumfang der vorliegenden Unterlagen
entnehmen kann. Insbesondere sind alle einzelnen Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten der
Erfindung und ihrer Ausführungsbeispiele
kombinierbar.
-
- 1
- Drehelement
- 2
- Drehkörper
- 3
- Transmissionskranz
- 4
- Nabe
- 5
- Buchse
- 6
- Wellensitz
- 7
- Zahnfuß
- 8
- Zahn
- FM
- Mechanikeinrichtungen
- HA
- Hinterachse
- SA
- Sicherheitseinrichtungen
- SV
- Servos,
Komforteinrichtungen
