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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine mechanische Bauteilpaarung mit
einem Antriebsbauteil, das eine erste Verzahnung aufweist, und einem
angetriebenen Bauteil, das eine zweite Verzahnung aufweist, wobei
die erste und die zweite Verzahnung im Zahneingriff miteinander
stehen, wobei das Antriebsbauteil das angetriebene Bauteil in wenigstens einer
vorgegebenen Antriebsrichtung antreibt, und wobei Mittel vorgesehen
sind, um Geräusche zu verringern, die durch Spiel zwischen
den zwei Verzahnungen in Antriebsrichtung hervorgerufen werden.
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Eine
derartige mechanische Bauteilpaarung ist allgemein bekannt. Eine Übersicht über
die derzeit verfügbaren Mittel zur Verringerung von Geräuschen sind
beschrieben in
"Losteilgeräusche von Fahrzeuggetrieben"
von Claus H. Lang, Universität Stuttgart, 1997.
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Eines
der Hauptprobleme bei derartigen mechanischen Bauteilpaarungen ist
das sog. Rasselphänomen. Dieses ist dadurch gekennzeichnet,
dass sich das Antriebsbauteil verzögert, das angetriebene Bauteil
(z. B. ein Losrad) sich aber mit seiner eingeprägten Umlaufbewegung
weiter dreht und nur durch Reibungs- und Schleppmomenteffekte verzögert wird.
Daher löst sich das angetriebene Bauteil von einer Zugflanke
des Antriebsbauteils, um zur Schubflanke des Antriebsbauteils hin
zu schwingen, und ggf. dort anzustoßen. Derartige Phänomene
treten jedoch nicht nur bei Lastwechselreaktionen auf, sondern insbesondere
aufgrund höherfrequenter Anregungen aus anderen Teilen
des Antriebsstranges, beispielsweise eines Verbrennungsmotors.
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Zur
Verringerung von solchen Geräuschen gibt es mehrere Ansätze.
Zum einen können aktive getriebeexterne Maßnahmen
vorgesehen werden, die beispielsweise die Störanregung
aus einem Verbrennungsmotor durch ein Zweimassenschwungrad entkoppeln.
Derartige Zweimassenschwungräder sind jedoch aufwendig
hinsichtlich des beanspruchten Bauraumes, des notwendigen Zusatzgewichtes und
hinsichtlich der Kosten. Eine weitere Möglichkeit sind
passive getriebeexterne Maßnahmen, wie etwa Kapselungen
oder Dämmungen der Getriebegehäuse. Auch diese
Maßnahmen sind ungünstig. Ferner sind aktive getriebeinterne
Maßnahmen bekannt, die gezielt an den Hauptgeräuschquellen
angeordnet werden. Solche aktiven getriebeinternen Maßnahmen
zielen häufig darauf ab, die funktionsbedingten Spiele
zu minimieren bzw. die Beweglichkeit innerhalb des Freifluges innerhalb
dieser funktionsbedingten Spiele zu behindern. Nachteilig sind hierbei
häufig der verringerte Wirkungsgrad und die Erzeugung anderer
unerwünschter Geräusche (wie z. B. Heulen). Ferner
ist es bekannt, zur Geräuschverringerung passive getriebeinterne
Maßnahmen vorzusehen, die direkt an den Geräuschquellen
(also beispielsweise an den Zahnrädern) angeordnet sind
und mechanische Schwingungen tilgen oder isolieren.
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Bekannte
Maßnahmen sind Losradbremsen, Maßnahmen zur Zahnlückenverspannung,
Maßnahmen, bei denen eine Scheibe mit einer etwas anderen Übersetzung
verwendet wird, Maßnahmen mit einer Reibrad-Nebenübersetzung,
Schwingungstilger, magnetische Lösungen zum Verhindern
eines Lösens der Zahnflanken voneinander, etc.
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Aus
dem Dokument
DE 197
21 851 A1 ist es bekannt, das Zahnflankenspiel in der Zahnradpaarung
zu verringern, indem an dem einen Zahnrad eine Zahnscheibe mit geringfügig
verbiegbaren Zähnen angebracht wird. Die verbiegbaren Zähne
der Zahnscheibe greifen in die Gegenverzahnung der Zahnradpaarung
und sollen für eine Geräuschdämpfung
ohne nennenswerten Verschleiß an dem anderen Zahnradelement
sorgen.
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Aus
der
DE 38 39 807 C1 ist
es bekannt, das Zahnflankenspiel zwischen zwei Zahnrädern
aufzuheben, indem an einem Zahnrad eine zusätzliche Zahnscheibe
vorgesehen wird und indem die Zahnscheibe gegenüber dem
zugeordneten Zahnrad durch Federn in Umfangsrichtung vorgespannt
wird.
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Das
Dokument
DE 10
2004 008 171 A1 offenbart einen Stirnradtrieb für
Nockenwellen, bei dem ein Zahnrad zweiteilig ausgebildet ist.
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Vor
dem obigen Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, eine mechanische
Bauteilpaarung anzugeben, die eine effektive Geräuschverringerung realisiert
und einen hohen Wirkungsgrad besitzt.
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Diese
Aufgabe wird bei der eingangs genannten mechanischen Bauteilpaarung
dadurch gelöst, dass die Geräuschverringerungsmittel
erste Kraftübertragungsmittel, die an einem der zwei Bauteile
festgelegt sind, und zweite Kraftübertragungsmittel aufweisen,
die an dem anderen Bauteil festgelegt sind, wobei die ersten und
die zweiten Kraftübertragungsmittel außerhalb
der Verzahnungen derart miteinander in Eingriff stehen, dass zwischen
ihnen eine entgegen der vorgegebenen Antriebsrichtung wirkende elastische
Abfederungskraft übertragbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Bauteilpaarung ermöglicht
die Übertragung einer auch als eine Art Dämpfungskraft
zu bezeichnenden elastischen Abfederungskraft außerhalb
der Verzahnungen. Dies wiederum ermöglicht es, die ersten
und die zweiten Kraftübertragungsmittel so aufeinander
abzustimmen, dass diese im Wesentlichen dann in Eingriff gelangen
und eine elastische Abfederungskraft entgegen der vorgegebenen Antriebsrichtung übertragen, wenn
dies sinnvoll ist. Anders herum ausgedrückt können
die Kraftübertragungsmittel so aufeinander eingestellt
werden, dass diese im Normalfall nicht oder im Wesentlichen nicht
in Eingriff gelangen, dann jedoch, wenn sich ein Geräusch
zu entwickeln droht, die hierbei involvierten Relativbewegungen
der Bauteile dämpfen.
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Unter
"in Eingriff stehen" soll vorliegend sowohl verstanden werden, dass
sich die Kraftübertragungsmittel tatsächlich berühren,
so dass die Abfederungskraft unmittelbar zwischen den Bauteilen wirkt,
sobald zwischen diesen eine Relativbewegung einsetzt. Darunter soll
aber auch verstanden werden, dass die Kraftübertragungsmittel
bei Antrieb in Antriebsrichtung generell nicht in Kontakt stehen,
so dass die Abfederungskraft erst zum Tragen kommt, wenn die Bauteile
bereits eine gewisse Relativbewegung vollzogen haben.
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Zudem
sind die Geräuschverringerungsmittel durch wenige zusätzliche
Komponenten realisierbar, die zudem ein geringes Gewicht besitzen.
Die Geräuschverringerungsmittel können dabei generell die
Funktion eines Zweimassenschwungrades ersetzen, so dass erhebliche
Kosten- und Gewichtseinsparungen realisierbar sind.
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Unter
einem Bauteil soll vorliegend jede Art von Bauteil verstanden werden,
das eine Verzahnung aufweist, also insbesondere Zahnräder.
Ein besonders typischer Anwendungsfall sind Bauteile mit einer Stirnverzahnung,
die Erfindung ist jedoch auch auf Bauteilpaarungen in Form von Kegelradzahnrädern,
auf Zahnstangen, auf Planetenradgetriebesätze, Steckverzahnungen
etc. anwendbar.
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Die
Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
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Von
besonderem Vorzug ist es, wenn die ersten und die zweiten Kraftübertragungsmittel
dazu ausgelegt sind, die elastische Abfederungskraft formschlüssig
zu übertragen.
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Bei
dieser Ausführungsform kann erreicht werden, dass die Geräuschverringerungsmittel
nur dann wirken, wenn eine gewisse Amplitude der Störanregungen
erreicht wird. Mit anderen Worten kann bei dieser Ausführungsform
der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden.
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Es
versteht sich dabei, dass die Übertragung der elastischen
Abfederungskraft nicht rein formschlüssig sein muss. Im
vorliegenden Fall soll unter einer formschlüssigen Übertragung
der elastischen Abfederungskraft verstanden werden, dass diese zumindest
teilweise formschlüssig übertragen wird. Denn
auch andere Erscheinungen wie Reibschluss oder Ähnliches
können darin involviert sein.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und/oder
die zweiten Kraftübertragungsmittel elastisch deformierbar
ausgebildet. Dies führt zu guten elastischen Abfederungseigenschaften.
Die Bauteile mit den Verzahnungen können dabei im Wesentlichen
unverändert gegenüber Lösungen konstruiert
sein, die nicht über geräuschverringernde Maßnahmen
verfügen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten
und/oder die zweiten Kraftübertragungsmittel eine konvexe
Kontur auf.
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Bei
dieser Ausführungsform wird es ermöglicht, den
Eingriff zwischen den Kraftübertragungsmitteln nach der
Art eines Wälzkontaktes zu realisieren, so dass im Wesent lichen
keine Reibkräfte dazwischen übertragen werden.
Insofern ergibt sich insgesamt ein hoher Wirkungsgrad.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn die ersten Kraftübertragungsmittel
eine erste Mehrzahl von Noppen aufweisen, die seitlich an einem
der zwei Bauteile vorgesehen sind.
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Derartige
Noppen lassen sich konstruktiv einfach realisieren. Sie können
entweder mit dem zugeordneten Bauteil verbunden werden, beispielsweise
durch beliebige Fügetechniken. Es ist jedoch auch möglich,
die Noppen an einem separaten Bauteil vorzusehen, das dann mit dem
zugeordneten Bauteil verbunden wird.
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Von
besonderem Vorteil ist es dabei, wenn sich die Noppen von einer
Seitenfläche des zugeordneten Bauteils erstrecken.
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Bei
dieser Ausführungsform besitzen die Noppen folglich eine
Erstreckung in Axialrichtung und somit die Möglichkeit, über
sie eine Kraft entgegen der Antriebsrichtung (bei Zahnrädern
in Tangential- bzw. Umfangsrichtung) zu übertragen.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn Noppen kalotten- bzw. kegelstumpfartig
ausgebildet sind.
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Auf
diese Weise kann eine konvexe Oberfläche relativ einfach
realisiert werden, so dass zwischen den Noppen und den zweiten Kraftübertragungsmitteln
auf einfache Weise ein Wälzkontakt realisierbar ist.
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Die
Noppen können auch als eine angespitzte Erhebung ausgebildet
sein.
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Gemäß einer
insgesamt bevorzugten Ausführungsform weisen die zweiten
Kraftübertragungsmittel eine zweite Mehrzahl von Kraftübertragungsgliedern
auf, die seitlich an dem anderen der zwei Bauteile vorgesehen sind.
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Die
Kraftübertragungsglieder können wiederum separate
Bauteile sein, die an dem zugeordneten Zahnrad angebracht sind.
Die Kraftübertragungsglieder können jedoch auch
Teil eines zusätzlichen Bauteils (beispielsweise eines
Ringes) sein, das an dem zugeordneten Bauteil angebracht ist.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die zweiten Kraftübertragungsglieder
an einem Kraftübertragungsrad ausgebildet sind, das an
dem zugeordneten Bauteil festgelegt ist.
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Diese
Ausführungsform führt insgesamt zu einer Bauweise
mit einer möglichst geringen Anzahl an involvierten Einzelteilen.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn die zweiten Kraftübertragungsglieder
sich jeweils in radialer Richtung nach außen in einen Bereich
zwischen zwei Zähnen der Verzahnung des zugeordneten Bauteils
erstrecken.
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Die
zweiten Kraftübertragungsglieder sind dabei seitlich neben,
also außerhalb der Verzahnung angeordnet. Mit anderen Worten
ragen die zweiten Kraftübertragungsglieder in einen Bereich
seitlich neben einer Zahnlücke. Auf diese Weise ist es
konstruktiv vergleichsweise einfach möglich, mit den ersten
Kraftübertragungsgliedern in Kontakt zu treten, die seitlich
an dem anderen Bauteil festgelegt sind, und zwar vorzugsweise im
Bereich der jeweiligen Zähne des anderen Bauteils.
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Insgesamt
ist es ferner bevorzugt, wenn wenigstens einige der zweiten Kraftübertragungsglieder zur
Kraftübertragung auf die ersten Kraftübertragungsmittel
eine Übertragungsfläche aufweisen, die in Bezug
auf eine Seitenfläche des zugeordneten Bauteils schräg
ausgerichtet ist.
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Sofern
die Übertragungsfläche parallel zur Seitenfläche
ausgerichtet wäre, könnte eine formschlüssige Übertragung
zwischen den ersten und den zweiten Kraftübertragungsmitteln
nicht stattfinden. Eine Ausrichtung senkrecht hierzu ist generell realisierbar
und hat zur Folge, dass eine formschlüssige Übertragung
zwischen den ersten und den zweiten Kraftübertragungsmitteln
möglich ist. Die ersten Kraftübertragungsmittel
könnten dabei als axial vorstehende Zylinder ausgebildet
sein (anstelle von Noppen). Die zweiten Kraftübertragungsmittel
sind dann vorzugsweise insgesamt so elastisch ausgebildet sein,
dass das funktionale Spiel vollständig durch elastische
Deformation aufgefangen werden kann. Die demgegenüber bevorzugte
schräge Ausführungsform hat den Vorteil, dass
die Übertragung der Dämpfungskraft mit einem möglichst
geringen Anteil an Reibkraft erfolgen kann und der elastische Deformationsweg
der zweiten Kraftübertragungsmittel vergleichsweise klein
gehalten werden kann. Demzufolge ist es möglich, vergleichsweise
kostengünstige Materialien zu verwenden.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn die zweiten Kraftübertragungsglieder
als Lamellen ausgebildet sind, die gegenüber einem Grundkörper
radial vorstehen.
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Auf
diese Weise lassen sich die Lamellen vergleichsweise einfach elastisch
deformierbar ausbilden. Der Grundkörper kann beispielsweise
ein Ring oder Ähnliches sein.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Kraftübertragungsglieder
als Abschnitte, insbesondere als Umfangsabschnitte eines Kraftübertragungsringes
ausgebildet.
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Die
Abschnitte, die als Kraftübertragungsglieder ausgebildet
sind, können an dem Kraftübertragungsring als
schräge Abschnitte, nach der Art eines Sägezahnprofils
oder Ähnliches ausgestaltet sein.
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Generell
ist es denkbar, dass die erste Mehrzahl der ersten Kraftübertragungsglieder
und die zweite Mehrzahl der zweiten Kraftübertragungsglieder
unterschiedlich ist. Vorzugsweise ist die Anzahl der ersten und
der zweiten Kraftübertragungsglieder jedoch gleich groß.
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Ferner
muss die Anzahl der ersten und/oder zweiten Kraftübertragungsglieder
nicht notwendigerweise gleich der Anzahl der Zähne der
jeweiligen zugeordneten Verzahnungen sein. Bevorzugt befindet sich
jedoch unabhängig von der jeweiligen Relativstellung der
zwei Bauteile jeweils wenigstens ein Paar von erstem bzw. zweitem
Kraftübertragungsglied in Eingriff bzw. in einer Stellung,
die einen Eingriff zur Übertragung der elastischen Abfederungskraft
ermöglicht.
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Von
besonderem Vorzug ist es jedoch, wenn die erste und/oder die zweite
Mehrzahl der ersten bzw. zweiten Kraftübertragungsglieder
gleich der Anzahl der Zähne der Verzahnung des jeweils
zugeordneten Bauteils ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und
die zweiten Kraftübertragungsmittel so ausgebildet, dass
eine Übertragung der elastischen Abfederungskraft im Wesentlichen
dann erfolgt, wenn sich das angetriebene Bauteil von einer Zugflanke
des Antriebsbauteils löst.
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Diese
Ausführungsform ermöglicht es, die Geräuschverringerungsmittel
nur dann zur Wirkung kommen zu lassen, wenn Störanregungen
auftreten.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und
die zweiten Kraftübertragungsmittel jeweils an einer Seitenfläche
des zugeordneten Bauteils angeordnet, im Falle eines Zahnrades also
beispielsweise an einer axialen Stirnseite des jeweiligen Zahnrades.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die ersten und die zweiten Kraftübertragungsmittel
so ausgebildet sind, dass sie bei Antrieb in der vorgegebenen Antriebsrichtung
in Wälzkontakt miteinander kommen.
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Mit
anderen Worten sind die Kraftübertragungsmittel so ausgebildet,
dass sie jeweils aneinander abwälzen und folglich keine
hohen Reibungskräfte dazwischen erzeugt werden.
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Obgleich
es generell bevorzugt ist, die elastische Abfederungskraft zumindest
teilweise formschlüssig zu übertragen, wie oben
ausführlich erwähnt, ist es gemäß einer
alternativen Ausführungsform vorgesehen, dass die Kraftübertragungsmittel dazu
ausgelegt sind, die elastische Abfederungskraft kraftschlüssig
zu übertragen.
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Eine
solche kraftschlüssige, insbesondere rein kraftschlüssige Übertragung
bedingt, dass die ersten und die zweiten Kraftübertragungsmittel
ständig gegeneinander vorgespannt sind, so dass zu erwarten
ist, dass der Wirkungsgrad etwas geringer ist als bei der bevorzugten
alternativen Ausführungsform.
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Insgesamt
ist es bei beiden Ausführungsformen bevorzugt, wenn die
ersten und die zweiten Kraftübertragungsmittel radial gesehen
im Bereich des Zahneingriffes miteinander in Eingriff gelangen, um
die elastische Abfederungskraft zu übertragen.
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Vorzugsweise
erfolgt der Eingriff auf der Höhe des Wälzkreises,
so dass Relativbewegungen der Kraftübertragungsmittel in
tangentialer und/oder radialer Richtung weitgehend ausgeschlossen
sind, während sie miteinander in Eingriff stehen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Bauteile
schrägverzahnte Bauteile, wobei das angetriebene Bauteil
bei Antrieb in der vorgegebenen Antriebsrichtung eine Axialversatzkraft
erfährt.
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Bei
dieser Ausführungsform ist es von besonderem Vorteil, wenn
die Geräuschverringerungsmittel dazu ausgebildet sind,
eine axiale elastische Abfederungskraft zu übertragen,
die in die entgegengesetzte Richtung wirkt wie die Axialversatzkraft.
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Diese
Ausführungsform wird unabhängig von dem Bereitstellen
von Geräuschverringerungsmitteln zur elastischen Abfederung
von relativen Umfangsbewegungen bzw. Tangentialbewegungen zwischen
den zwei Bauteilen als eigene Erfindung angesehen.
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Denn
bei dieser Ausführungsform können auch Geräusche
wirksam verringert bzw. gedämpft werden, die aufgrund von
Axialschwingungen hervorgerufen werden könnten. Die Geräuschverringerungsmittel
sind dabei dazu ausgelegt, das in der Regel vorhandene Axialspiel
zu begrenzen. Die Kraftübertragungsmittel sind dauernd
in Eingriff und federn so Bewegungen des angetriebenen Zahnrades
in Richtung der Axialversatzkraft elastisch ab.
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Die
Kraftübertragungsmittel können jeweils fest mit
dem jeweils zugeordneten Bauteil verbunden sein. Zur Justierung
ist es jedoch bevorzugt, wenn die ersten und/oder die zweiten Kraftübertragungsmittel
in Antriebsrichtung und/oder in axialer Richtung verstellbar daran
festgelegt sind. Auch eine Verspannung der Kraftübertragungsmittel
in Bezug auf das jeweils zugeordnete Bauteil ist denkbar. Die Justierung
in axialer Richtung kann beispielsweise durch geeignete Unterlegscheiben
erfolgen.
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Insgesamt
wird mit der vorliegenden Erfindung wenigstens einer der folgenden
Vorteile bzw. Funktionen realisiert.
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Zum
einen handelt es sich bei den vorgeschlagenen Maßnahmen
um aktive getriebeinterne Maßnahmen mit einer geringen
Anzahl von zusätzlichen Komponenten, im Idealfall nur einer
einzigen Komponente (beispielsweise einem Rad mit angeformten zweiten
Kraftübertragungsmitteln). Solange keine Hauptursache in
Form größerer Winkelbeschleunigungsamplituden
treibender Bauteile (Antriebsbauteile) vorhanden ist, die unsympathische mechanische
Schwingungen (etwa Klappern oder Rasseln) hervorrufen, sollen die
erfindungsgemäßen Geräuschverringerungsmittel
im Wesentlichen nicht wirken. Daher entstehen im Idealfall keinerlei
Verlustleistungen, Verschleißerscheinungen, Beeinträchtigungen
der Schaltbarkeit oder andere zusätzliche Geräusche.
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Für
die vorgenannten Schwingungen ist eine der Hauptursachen die Anregung
des mechanischen Systems durch die Amplitude der Winkelbeschleunigung
des Antriebsbauteils. Diese Schwingungen nehmen immer mehr zu, etwa
durch Optimierung von Verbrennungsprozessen eines treibenden Verbrennungsmotors,
durch Leichtbau etc. Die Folge sind Schwingungen loser Teile, beispielsweise
von Zahnrädern und Zahnradblöcken, innerhalb ihrer
funktionsbedingten Spiele. Bei ausreichend großen Anregungsamplituden
kommt es zu Stoßeffekten an den Spielgrenzen. Diese Stoßeffekte
führen zu primären und sekundären abgestrahlten
Luftschalldrücken, die akustisch als Klapper- oder Rasselgeräusche
wahrgenommen werden. Wenn diese Spiele minimiert werden, können
auch diese Geräusche minimiert werden, im Idealfall sogar
vollständig.
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Grundgedanke
der erfindungsgemäßen Lösungen ist es,
durch seitlich an den Bauteilen vorgesehene Mittel das Drehflanken-
und/oder Axialspiel entweder völlig oder teilweise zu kompensieren.
Damit werden durch dieses "By-pass"-System eventuell auftretende
Stöße an den Schubflanken des Antriebsbauteils
vermieden und auf dieses By-pass-System verlagert. Das Spiel zwischen
dem By-pass-System und dem sich im Eingriff befindlichen angetriebenen
Bauteil beträgt entweder null oder nahezu null, ist jedenfalls
um ein Vielfaches kleiner als das bei diesen Verzahnungen normalerweise vorhandene
funktionale Drehflankenspiel. Damit sind auftretende Stoßenergien
entweder null oder so gering, dass Klapper- oder Rasselgeräusche
nicht mehr wahrnehmbar sind.
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Mittel
zur Geräuschverringerung können durch einfache
Komponenten realisiert werden, beispielsweise durch kaltumformbare
elastische Festkörper-Bauteile, die in Großserie
herstellbar sind. Daher können die Kosten sehr niedrig
angesetzt werden.
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Die
Geräuschverringerungsmittel sind zudem sehr betriebsfest,
da sie in der Regel nicht permanent wirken und nur bei einer ausreichend
hohen Störanregung elastisch abfedernd zur Wirkung kommen.
Ferner sollen keine oder nur geringe Relativbewegungen zwischen
den ersten und den zweiten Kraftübertragungsgliedern stattfinden,
so dass die Berührungen, etwa durch sich berührende
sphärische bzw. konvexe Konturen auf dem Wälzkreisdurchmesser,
idealerweise punktförmig stattfinden (idealerweise in Form
von Wälzkontakten). Die eventuell zustande kommenden Kontakte
führen im Idealfall zu rein elastischen Deformationen.
Es versteht sich, dass die entsprechenden Bauteile hierzu ausgelegt
sein müssen. Die zur Realisierung der Geräuschverringerungsmittel
verwendeten Komponenten können aus Metall oder auch aus
Kunststoff oder in Verbund- bzw. Sandwichbauweise, beispielsweise mit
Elastomer-Zwischenschichten, mit diesen Werkstoffen ausgeführt
werden. Eventuell auftretende Stoßeffekte können
dann durch Impedanzveränderungen in den Bauteilen an ihrer
Körperschallausbreitung gehindert werden.
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Generell
kann die vorliegende Erfindung auf gegeneinander bewegliche Bauteile
angewendet werden, wie beispielsweise Zahnradpaarungen. Die Erfindung
lässt sich jedoch auch auf nicht gegeneinander bewegliche
Bauteilpaarungen anwenden, beispielsweise auf Kopplungssteckverzahnungen
(Keilnutverzahnungen, etc.), oder Klauenverzahnungen. Mit anderen
Worten wirken die erfindungsgemäßen Geräuschverringerungsmittel
auch im statischen Fall und bei Bauteilen, die um die Nulllage herum
oszillieren. Obgleich die Kraftübertragungsmittel vorzugsweise
im Bereich des Wälzkreisradius miteinander in Eingriff
treten, ist es je nach Anwendungsfall auch möglich, dies
bei einem kleineren oder größeren Radius zu realisieren.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer mechanischen Bauteilpaarung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
perspektivische Ansicht schräg von der Seite zur Darstellung
der bei der Bauteilpaarung der 1 realisierten
Geräuschverringerungsmittel;
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3 eine
schematische Darstellung einer Bauteilpaarung in Form eines Schnittes
durch eine Wälzebene gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
der 3 entsprechende schematische Darstellung einer
weiteren mechanischen Bauteilpaarung gemäß der
vorliegenden Erfindung, deren generelle Funktionsweise der Bauteilpaarung der 1 und 2 entspricht;
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5 eine
Darstellung von ersten und zweiten Kraftübertragungsgliedern
von Geräuschverringerungsmitteln einer erfindungsgemäßen
Bauteilpaarung, wobei die Oberflächen der Kraftübertragungsglieder
jeweils konvex ausgebildet sind, um einen Punkt- bzw. Linien-Kontakt
zu realisieren;
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6 eine
der 5 entsprechende Darstellung, wobei ein Kraftübertragungsglied
eine konvexe und das andere eine gerade Oberfläche aufweist;
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7 eine
der 6 entsprechende Darstellung, bei der die konvexe
Fläche und die gerade Fläche gegeneinander vertauscht
sind;
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8 eine
der 4 entsprechende Darstellung einer Bauteilpaarung
mit Schrägverzahnung;
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9 eine
weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
mechanischen Bauteilpaarung;
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10 eine
perspektivische Detailansicht der Bauteilpaarung der 9 zur
Darstellung der Geräuschverringerungsmittel;
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11 eine
der 9 entsprechende Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen
Bauteilpaarung, die Kraftübertragungsmittel zur kraftschlüssigen Übertragung
einer elastischen Abfederungskraft aufweist; und
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12 eine
Detailansicht der Bauteilpaarung der 11 zur
Darstellung der Geräuschverringerungsmittel.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Bauteilpaarung in Form einer Zahnradpaarung aus zwei schrägverzahnten
Zahnrädern in Stirnradbauweise generell mit 10 bezeichnet.
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Die
Zahnradpaarung 10 weist ein angetriebenes Zahnrad in Form
eines Losrades 12 auf, das drehbar an einer Welle (nicht
dargestellt) gelagert ist. Ferner weist die Zahnradpaarung 10 ein
Antriebsbauteil in Form eines Festrades 14 auf, das fest
an einer nicht dargestellten weiteren Welle festlegbar ist. Das
Losrad 12 weist eine Verzahnung 16 in Form einer
Stirnradverzahnung auf. Das Festrad 14 weist eine entsprechende
Verzahnung 18 auf.
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Eine
Drehachse des Losrades 12 ist bei 20 gezeigt.
Eine Drehachse des Festrades 14 ist bei 22 gezeigt.
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Die
Achsen 20, 22 sind durch eine Verbindungslinie 24 miteinander
verbunden.
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Ferner
stehen die Verzahnungen 16, 18 (beispielsweise
Evolventenverzahnungen) in einem Wälzkreis in Eingriff,
wobei eine Wälzkreistangente bei 26 gezeigt ist,
die rechtwinklig zu der Verbindungslinie 24 ausgerichtet
ist.
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Ferner
weist die Zahnradpaarung 10 Geräuschverringerungsmittel
auf, die generell mit 30 bezeichnet sind.
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Die
Geräuschverringerungsmittel 30 weisen erste Kraftübertragungsmittel 32 und
zweite Kraftübertragungsmittel 34 auf. Die ersten
Kraftübertragungsmittel 32 sind an dem Losrad 12 festgelegt
und sind als eine Mehrzahl von Noppen ausgebildet, die gegenüber
einer Seitenfläche des Losrades 12 axial vorstehen,
wie es auch in 2 zu sehen ist.
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Dabei
ist die Form der Noppen etwa halbkugelförmig, deren Mittelachse
mit dem Wälzkreis des Losrades 12 zusammenfällt.
Die Noppen 32 sind mit anderen Worten jeweils seitlich
an einem Zahn der Verzahnung 16 vorgesehen. Die Anzahl
der Noppen 32 entspricht folglich der Anzahl der Zähne
der Verzahnung 16.
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Die
zweiten Kraftübertragungsmittel 34 sind gebildet
durch eine Mehrzahl von Kraftübertragungsgliedern, die
im vorliegenden Fall als Lamellen 34 ausgebildet sind.
Die Lamellen 34 stehen radial nach außen gegenüber
einem Lamellenring 36 vor. Der Lamellenring 36 ist
an der Seite des Festrades 14 festgelegt. Das Festrad 14 weist
hierzu eine Mehrzahl von Bohrungen in Form von Gewindelöchern 44 auf.
Der Lamellenring 36 weist eine Mehrzahl von Ausnehmungen 38 auf,
die als in Umfangsrichtung verlaufende Langlöcher ausgebildet
sind.
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Der
Lamellenring 36 ist mittels einer entsprechenden Mehrzahl
von Schrauben 40 an dem Festrad 14 befestigt,
wobei die Relativposition in Umfangsrichtung zwischen dem Festrad 14 und
dem Lamellenring 36 durch die Langlochkonfiguration der Ausnehmungen 38 einstellbar
ist. Eine axiale Justage ist beispielsweise realisierbar, indem
zwischen das Festrad 14 und den Lamellenring 36 eine
Unterlegscheibe geeigneter Dicke eingesetzt wird.
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Generell
ist der Lamellenring 36 so an dem Festrad 14 angebracht,
dass die Lamellen sich in radialer Richtung hiervon erstrecken,
und zwar so, dass sie in radialer Richtung an den jeweiligen Zahnlücken
der Verzahnung 18 vorbeilaufen.
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Das
Festrad 14 wird in einer Antriebsrichtung 42 angetrieben.
Die Antriebsrichtung 42 ist eine bevorzugte Antriebsrichtung,
wie sie beispielsweise bei Kraftfahrzeuggetrieben vorgegeben ist
(die Richtung bei Vorwärtsfahrt). Gleiches gilt auch bei
Antrieben für Nebenaggregate eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges.
Mit anderen Worten kann die Zahnradpaarung 10 sowohl in
Fahrzeug-Stufengetrieben verwendet werden, insbesondere in Getrieben
in Vorgelegebauweise. Die Zahnradpaarung 10 kann aber auch
in einem Getriebe für den Antrieb von Nebenaggregaten wie
Motorsteuerradgetrieben Verwendung finden, um ein weiteres Beispiel
zu nennen.
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Die
Lamellen 34 des Lamellenringes 36 sind zum einen
aus der Radialebene etwas herausgebogen, und zwar in Richtung von
dem Festrad 14 weg, wie es insbesondere in 2 zu
sehen ist. Ferner sind die Lamellen jeweils um eine Radialachse
herum verdreht, so dass die zu dem Festrad 14 hin weisenden
Flächen als schräge Übertragungsflächen 52 ausgebildet
sind.
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Die
Oberfläche der ersten Kraftübertragungsmittel
in Form der Noppen 32 ist in 2 mit 54 bezeichnet.
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Wenn
das Festrad 14 das Losrad 12 in der vorgegebenen
Antriebsrichtung 42 antreibt, kommen im Bereich des Zahngriffes
die ersten Kraftübertragungsmittel 32 und die
zweiten Kraftübertragungsmittel 34 in Eingriff.
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Die
Art des Eingriffes zwischen den Kraftübertragungsmitteln 32, 34 ist
derart, dass im Wesentlichen ein punktförmiger Kontakt
zwischen jeweils einer Lamelle 34 und einem Noppen 32 realisiert
wird, wobei aufgrund der Schrägstellung der Lamelle 34 eine
Normale zu dem Kontaktpunkt schräg sowohl zur Axialrichtung
als auch zur Umfangsrichtung ausgerichtet ist. Diese Normale ist
als Wirklinie 46 in 2 dargestellt.
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Der
Lamellenring 36 ist in Bezug auf das Festrad 14 bzw.
in Bezug auf die Noppen 32 des Losrades 12 so
eingestellt, dass dann, wenn das Festrad 14 das Losrad 12 antreibt, im
Wesentlichen keine oder nur eine sehr geringe Kraft zwischen den
Kraftübertragungsmitteln 32, 34 übertragen
wird. Sofern sich aus einem solchen Zustand das Losrad 12 von der
Zugflanke des Festrades 14 löst, wird über
die Kraftübertragungsmittel 32, 34 eine
Kraft entlang der Wirklinie 46 übertragen. Die übertragene
Kraft lässt sich zerlegen in eine Axialkraft 48,
die parallel verläuft zu den Achsen 20, 22,
und in eine Tangentialkraft 50. Die Tangentialkraft 50 ist
dabei der Antriebskraft in der vorgegebenen Antriebsrichtung 42 entgegen
gerichtet.
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Mit
anderen Worten wird eine Kraft bzw. Bewegung des Losrades 12 weg
von der Zugflanke des Festrades 14 durch die Kraftübertragungsmittel 32, 34 gedämpft,
und zwar mittels der hierüber übertragenen Tangentialkraft 50,
die der Antriebskraft entgegenwirkt.
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Sofern
beispielsweise über das Festrad 14 Schwingungen
in den Zahneingriff zwischen den zwei Rädern 12, 14 eingeleitet
werden, so können diese mittels der Geräuschverringerungsmittel 30 gedämpft
bzw. eliminiert werden. Da das Losrad 12 mittels der Geräuschverringerungsmittel 30 daran
gehindert wird, sich von der Zugflanke des Festrades 14 zu
lösen, können Rasselgeräusche verringert
werden. Eine Schubflanke der Verzahnung 18 des Festrades 14 ist
in 2 bei 58 dargestellt. Die gegenüberliegende
Flanke des gleichen Zahnes ist als Zugflanke 56 ausgebildet,
was in 2 ebenfalls schematisch angedeutet ist.
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Bei
Eingriff der Kraftübertragungsmittel 32, 34 wirkt
zwischen den Zahnrädern 12, 14 auch eine Axialkraft,
wie sie in 2 bei 48 dargestellt
ist. Diese Axialkraft kann Bewegungen des Losrades 12 in Axialrichtung
dämpfen. Das Losrad 12 wird aufgrund der Schrägverzahnung
der Verzahnungen 16, 18 generell aufgrund einer
Axialversatzkraft gegen ein nicht näher dargestelltes Axiallager
gedrückt. Aufgrund von Schwingungen im Antriebsstrang kann
es auch vorkommen, dass das Losrad 12 in axialer Richtung
schwingt. Die Geräuschverringerungsmittel 30 sind
dazu ausgelegt, Bewegungen des Losrades 12 weg zu dampfen
und dienen folglich auch dazu, Geräuschentwicklungen aufgrund
von Axialschwingungen des Losrades 12 zu dämpfen.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Bauteilpaarung 10 und die Bauteilpaarung 10I entspricht hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise
generell der Bauteilpaarung 10 der 1 und 2.
Im Folgenden werden lediglich Unterschiede erläutert.
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Die
Darstellung der 3 entspricht einem Schnitt durch
die Wälzkreisebene, die in 1 mit 26 bezeichnet
ist.
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Man
erkennt die Zugflanke 56 und die Schubflanke 58 der
jeweiligen Zähne der Verzahnung 18I .
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Das
Drehflanken- bzw. Zahnflankenspiel zwischen den Verzahnungen 16I , 18I ist
(in übertriebener Form) bei 60 dargestellt.
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Ferner
sind Geräuschverringerungsmittel 30I dargestellt.
Die Geräuschverringerungsmittel 30I weisen
erste Kraftübertragungsmittel 32I ,
die der Verzahnung 16I zugeordnet
sind, sowie zweite Kraftübertragungsmittel 34I , die der Verzahnung 18I zugeordnet sind, auf. Die Kraftübertragungsmittel 32I , 34I weisen
nicht näher bezeichnete elastische Mittel (schematisch
durch eine Feder dargestellt) auf, durch die zwischen den Verzahnungen 16I , 18I eine Dämpfungskraft 50I in Umfangsrichtung (entgegen der Antriebsrichtung 42I ) aufgebracht werden kann.
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Aus
der Darstellung der 3 ist ersichtlich, dass die
Geräuschverringerungsmittel 30I als
eine Art "By-pass"-System realisiert sind, das außerhalb der
Verzahnungen 16I , 18I wirkt und eine Dämpfungskraft
entgegen der Antriebsrichtung übertragen kann.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Bauteilpaarung 10II . Die Bauteilpaarung 10II entspricht hinsichtlich Aufbau und
Funktionsweise der Bauteilpaarung 10 der 1 und 2.
Im Folgenden wird lediglich auf Unterschiede eingegangen.
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Die
Darstellung der Bauteilpaarung 10II entspricht
der Darstellung der Bauteilpaarung 10 der 3,
also in Form eines Schnittes durch eine Wälzkreistangente.
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Man
erkennt, dass bei der Bauteilpaarung 10II ein
Lamellenring 36II an dem Festrad 14II festgelegt ist, wohingegen an dem
Losrad 12II Noppen 32II festgelegt sind.
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Die
generelle Funktionsweise ist jedoch ähnlich, dahingehend,
dass die Lamellen 34II schräg
in Bezug auf sowohl die Axialrichtung als auch die Radialrichtung
ausgerichtet sind und demzufolge eine schräg ausgerichtete
Kraft entlang einer Wirklinie 46II zwischen
den Kraftübertragungsmitteln 32II , 34II übertragbar ist.
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Eine
in Umfangsrichtung wirkende Kraftkomponente 50II wirkt
dabei der Antriebsrichtung 42II entgegen,
um die erfindungsgemäße Abfederungs- bzw. Dämpfungswirkung
in Umfangs- bzw. Tangentialrichtung zu erzielen. Eine Axialkraftkomponente 48II dämpft Bewegungen des Losrades 14II in axialer Richtung bzw. federt diese
ab.
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In
den Ausführungsformen der 1 bis 4 sind
die ersten Kraftübertragungsmittel generell als etwa sphärische
oder kalottenförmige bzw. kegelstumpfförmige Noppen
ausgebildet und vorzugsweise mit einer konvexen Oberfläche
ausgestattet. Die zweiten Kraftübertragungsmittel 34 in
Form der Lamellen weisen hingegen im Wesentlichen eine ebene Übertragungsfläche 52 auf.
Es ist auch möglich, die miteinander in Kontakt kommenden
Flächen 52, 54 beide konvex auszubilden,
wie es in 5 dargestellt ist. Die Situation
der Ausführungsformen der 1 bis 4 mit
konvexer Übertragungsfläche 54 der Noppen 32 ist
in 6 dargestellt. Eine umgekehrte Ausführungsform,
bei der die Noppen eine gerade Oberfläche 54 aufweisen,
und die Lamellen eine konvexe Oberfläche 52, ist
in 7 dargestellt. Obgleich dies nicht dargestellt
ist, versteht sich, dass die Flächenpaarung 52, 54 auch
konvex-konkav mit identischer oder vorzugsweise unterschiedlicher
Krümmung ausgebildet werden kann.
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In
allen Fällen kann im Wesentlichen ein Punkt- bzw. linienförmiger
Kontakt erzielt werden, so dass die Kraftübertragungsmittel 32, 34 im
Wesentlichen nach der Art eines Wälzkontaktes aufeinander abwälzen
können, wenn sie im Bereich des Zahneingriffs in Kontakt
gelangen bzw. in Eingriff geraten.
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In 8 ist
eine der 4 entsprechende Ausführungsform
dargestellt, wobei die Verzahnungen 16III , 18III als Schrägverzahnungen
ausgeführt sind.
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Man
erkennt, dass aufgrund des Zahneingriffs bei Antrieb des Festrades 14III in Antriebsrichtung 42III eine Axialversatzkraft 62 auf
das Losrad 12III ausgeübt
wird.
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Das
Losrad 14III stützt sich
dabei in der Regel an einem nicht näher bezeichneten Axiallager
ab (das in 8 auf der rechten Seite zu sehen
wäre). Die Geräuschverringerungsmittel 30III sind auf der gleichen Seite angeordnet.
Eine in 8 nicht näher bezeichnete
Axialkraft 48 wirkt folglich in die entgegengesetzte Richtung
wie die Axialversatzkraft 62. Demzufolge wird erreicht,
dass Bewegungen des Losrades 12III in
Richtung der Axialversatzkraft 62 mittels der Geräuschverringerungsmittel 30III gedampft werden können.
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Die 9 und 10 zeigen
eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bauteilpaarung 10IV .
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Die
Bauteilpaarung 10IV entspricht
hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell der Bauteilpaarung 10 der 1 und 2.
Im Folgenden wird lediglich auf Unterschiede eingegangen. Gleiche
Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Während
die Noppen 32IV im Wesentlichen identisch
sind zu den Noppen 32 der Bauteilpaarung 10, sind
diese vorliegend am Losrad 12IV festgelegt. Die
zweiten Kraftübertragungsmittel 34IV weisen
einen Kraftübertragungsring auf, der an dem Festrad 14IV festgelegt ist und in radialer Richtung
die Noppen 32IV vollständig überdeckt.
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An
der den Noppen 32IV zugewandten
Seite des Kraftübertragungsringes 36IV ist
eine Mehrzahl von Kraftübertragungsgliedern 34IV in Form von schräggestellten
Abschnit ten vorgesehen. Diese Kraftübertragungsglieder 34IV weisen jeweils Übertragungsflächen 52IV auf, die hinsichtlich Form und Ausrichtung
generell den Übertragungsflächen 52 der
Lamellen 34 der 1 und 2 entsprechen.
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Es
versteht sich, dass die Kraftübertragungsabschnitte 34IV in axialer Richtung in der Regel
nicht so elastisch ausgebildet sind wie die Lamellen 34 des Lamellenringes 36 der 1 und 2.
Demzufolge lässt sich mit der Ausführungsform
der 9 und 10 generell eine stärkere
Dämpfungswirkung erzeugen.
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Generell
ist es auch denkbar, dass der Kraftübertragungsring 36IV in Umfangsrichtung in Bezug auf das
zugeordnete Zahnrad (hier das Festrad 14IV ) beweglich
und in eine Richtung vorgespannt ist, wie es in 9 schematisch
bei 64 dargestellt ist.
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Bei
dieser Ausführungsform würden die schematisch
dargestellten Vorspannmittel eine Kraft 66 auf den Kraftübertragungsring 36IV ausüben, wie sie in 10 bei 66 dargestellt
ist.
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Die
Vorspannkraft 66 würde dabei der Antriebsrichtung 42IV entgegengesetzt ausgerichtet sein.
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In
den 11 und 12 ist
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Bauteilpaarung 10V dargestellt.
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Die
Bauteilpaarung 10V entspricht hinsichtlich
Aufbau und Funktionsweise der Bauteilpaarung 10 der 1 und 2.
Im Folgenden werden lediglich Unterschiede erläutert.
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Während
zwischen den Kraftübertragungsmitteln 32, 34 der
Geräuschverringerungsmittel 30 der 1–10 eine
Dämpfungskraft generell zumindest teilweise formschlüssig übertragen
werden kann, stehen die ersten Kraftübertragungsmittel 32V in Form einer Ringscheibe und die
zweiten Kraftübertragungsmittel 36V generell
in Reib kontakt miteinander, ohne dass dazwischen eine Kraftkomponente
in Umfangsrichtung formschlüssig übertragen werden könnte.
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Die
Scheiben 32V , 36V sind
vielmehr in Richtung ihrer Verbindungslinie 24 (in 11, 12 nicht
dargestellt) aufeinander zu vorgespannt, so dass aufgrund des Reibeingriffes
eine Dämpfungskraft 50V entgegen
der Antriebsrichtung 42V reibschlüssig übertragbar
ist.
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Es
versteht sich, dass die Erfindung nicht nur im Rahmen der oben beschriebenen
Ausführungsformen realisiert werden kann, sondern dass
eine Vielzahl von Modifikationen möglich ist.
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So
sind beispielsweise die Vorspannmittel 64 der 9, 10 generell
auch auf die anderen Ausführungsformen von Bauteilpaarungen
anwendbar. Ferner versteht sich, dass auch bei der reibschlüssigen
bzw. kraftschlüssigen Übertragung einer Dämpfungskraft
nicht nur eine Komponente in Umfangsrichtung (50V ) übertragbar
ist, sondern auch eine Komponente in Axialrichtung (in 12 nicht näher
dargestellt). Zu diesem Zweck ist es sinnvoll, dass die Kraftübertragungsscheibe 36V die Kraftübertragungsscheibe 32V in radialer Richtung etwas überdeckt.
Vorzugsweise sind die Berührflachen der Kraftübertragungsringe 36V , 32V schräg
sowohl in Bezug auf die Axialrichtung als auch in Bezug auf die Radialrichtung
der Bauteilpaarung 10V ausgerichtet, wie
es 12 zu entnehmen ist.
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Generell
können die ersten Kraftübertragungsmittel (z.
B. Noppen) dem Losrad zugeordnet sein, und die zweiten Kraftübertragungsmittel
(z. B. Lamellen) dem Festrad. Auch der umgekehrte Fall ist jedoch
möglich. Ferner ist es denkbar, die ersten und die zweiten
Kraftübertragungsmittel konstruktiv jeweils identisch bzw.
komplementär zueinander auszugestalten. Auch ist es denkbar,
erste und zweite Kraftübertragungsmittel nicht nur an einer
Seite der Bauteile anzuordnen, sondern beispielsweise an beiden
Seiten dieser Bauteile. Dies kann auch beinhalten, die Paarung der
Kraftübertragungsmittel auf den gegenüberliegenden
Seiten der Bauteile kreuzweise zu vertauschen. Bei Kraftübertragungsmittelpaarungen
auf beiden Seiten kann eine größere Tangentialkraft
entgegen der Antriebsrichtung erzeugt werden, und damit eine bessere
Verringerung der Klapper- bzw. Rasselneigung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19721851
A1 [0006]
- - DE 3839807 C1 [0007]
- - DE 102004008171 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - "Losteilgeräusche
von Fahrzeuggetrieben" von Claus H. Lang, Universität Stuttgart,
1997 [0002]