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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mechanische Bauteilpaarung aus einem ersten Bauteil mit einer ersten Bauteilverzahnung und einem zweiten Bauteil mit einer zweiten Bauteilverzahnung, die mit der ersten Bauteilverzahnung in Eingriff steht, um über die Bauteilverzahnungen eine Antriebskraft in einer Antriebsrichtung übertragen zu können, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus der
DE 10 2005 041 357 A1 bekannt.
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Verzahnte Bauteilpaarungen sind allgemein bekannt, beispielsweise in Form von Zahnradpaarungen und/oder der Paarung einer Zahnstange mit einem Zahnrad. Solche Bauteilpaarungen werden häufig in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen eingesetzt, beispielsweise in Stufengetrieben, in Antrieben für Nebenaggregate etc.
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Eines der Hauptprobleme bei derartigen mechanischen Bauteilpaarungen ist das so genannte Rasselphänomen. Dieses tritt hauptsächlich aufgrund von Schwingungsanregungen im Antriebsstrang auf, die beispielsweise von einem Antriebsmotor wie einem Verbrennungsmotor des Antriebsstranges erzeugt werden. Das Rasseln (auch als unsympathische Schwingungen bezeichnet) entsteht dadurch, dass sich aufgrund der Schwingungsanregung das antreibende Bauteil verzögert, das angetriebene Bauteil (z. B. ein Losrad) sich aber mit einer eingeprägten Umlaufbewegung weiterdreht und nur durch Reibungs- und Schleppmomenteffekte verzögert wird. Dabei löst sich das angetriebene Bauteil von einer Zugflanke des Antriebsbauteils, um zur Schubflanke des Antriebsbauteils hin zu schwingen und gegebenenfalls dort anzustoßen. Derartige Phänomene treten nicht nur bei Lastwechselreaktionen auf, sondern insbesondere aufgrund der höherfrequenten Anregungen aus anderen Teilen des Antriebsstranges, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor.
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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 aufwändig hinsichtlich des beanspruchten Bauraumes, des notwendigen Zusatzgewichtes und hinsichtlich der Kosten. Eine weitere Möglichkeit sind passive getriebeexterne Maßnahmen, wie etwa Kapselungen oder Dämmungen des Getriebegehäuses. 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 dieser funktionsbedingten Spiele zu behindern. Nachteilig hierbei sind 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 hierbei 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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Beispielsweise ist aus dem Dokument
DE 103 28 482 A1 ein Zahnradgetriebe mit einer Antirasseleinrichtung bekannt. Dabei ist einem Losrad und einem Festrad jeweils ein Reibrad zugeordnet, die in Reibeingriff zueinander stehen.
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Aus dem Dokument
DE 197 21 851 A1 ist es bekannt, das Zahnflankenspiel in einer 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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Ferner offenbart das Dokument
DE 10 2004 008 171 A1 einen Stirnradtrieb für Nockenwellen, bei dem ein Zahnrad zweiteilig ausgebildet ist.
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Aus dem Stand der Technik sind ferner Antirasselmaßnahmen bekannt (z. B.
DE 1 967 959 U ,
JP 62228735A ,
US 4,577,525 B ), bei denen eine Antirasselverzahnung eines Antirasselbauteils einen Zahn mehr oder weniger hat als die Bauteilverzahnung des zugeordneten Bauteils.
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Das Dokument
JP 01153865 A offenbart eine Anordnung mit einer Bauteilpaarung und einem zugeordneten Antirasselbauteil, wobei die Antirasselverzahnung des Bauteils, mit dem das Antirasselbauteil in Eingriff steht, einen anderen Schrägungswinkel aufweist als dessen Bauteilverzahnung.
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Aus dem oben genannten Dokument
DE 10 2005 041 357 A1 ist ein Scherzahnrad bekannt, bei dem einem Hauptzahnrad ein Nebenzahnrad mit derselben Anzahl von Zähnen zugeordnet ist. Das Nebenzahnrad wird nach der Art einer Bajonettverbindung mit dem Hauptzahnrad verbunden und ist gegenüber diesem in Umfangsrichtung beweglich gelagert. Das Hauptzahnrad und das Gegenzahnrad werden in Umfangsrichtung mittels einer Feder verspannt, wodurch das Spiel zwischen dem Hauptzahnrad und einem Gegenzahnrad eliminiert wird.
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Vor dem obigen Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, eine mechanische Bauteilpaarung anzugeben, mit der sich eine effektive Geräuschverringerung realisieren lässt und die einen hohen Wirkungsgrad besitzt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Bauteilpaarung aus einem ersten Bauteil mit einer ersten Bauteilverzahnung und einem zweiten Bauteil mit einer zweiten Bauteilverzahnung, die mit der ersten Bauteilverzahnung in Eingriff steht, um über die Bauteilverzahnungen eine Antriebskraft in einer Antriebsrichtung übertragen zu können, wobei dem ersten Bauteil ferner eine erste Antirasselverzahnung zugeordnet ist und wobei an dem zweiten Bauteil ein Antirasselbauteil befestigt ist, das durch eine Bajonettverbindung an dem zweiten Bauteil festgelegt ist, wobei die Bajonettverbindung wenigstens einen Reibeingriff definiert, derart, dass das Antirasselbauteil in radialer Richtung gegen die Wirkung des Reibeingriffs in Bezug auf das zweite Bauteil beweglich ist.
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Durch die Maßnahme, das Antirasselbauteil an dem zweiten Bauteil mittels einer Bajonettverbindung festzulegen, ist zum einen eine einfache Montage des Antirasselbauteils an dem zweiten Bauteil möglich. Ferner ermöglicht die Bajonettverbindung die Einrichtung weiterer Funktionen mit Antirasselwirkung, wie nachstehend beschrieben wird.
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Der Umfang der Bewegung des Antirasselbauteils in Bezug auf das zweite Bauteil ist in Antriebsrichtung im Wesentlichen durch das Zahnflankenspiel zwischen den Bauteilverzahnungen begrenzt. In radialer Richtung ist die Beweglichkeit ggf. durch radiale Anschläge wie einen Ringvorsprung begrenzt.
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Der Reibeingriff, aufgrund dessen einer Relativbewegung zwischen dem Antirasselbauteil und dem zweiten Bauteil eine Reibwirkung entgegengesetzt wird, kann folglich dazu beitragen, dass Rasselgeräusche zwischen den Bauteilverzahnungen verringert oder sogar eliminiert werden.
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Ein bevorzugter erster Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das größte auftretende Drehflankenspiel der Bauteilverzahnungen durch eine radial bewegliche Lagerung des Antirasselbauteils ausgeglichen werden kann, da das Antirasselbauteil folglich im Bereich des Zahneingriffs radial elastisch ausweichen kann. Mit anderen Worten erfolgt der Zahneingriff zwischen den Antirasselverzahnungen so, dass eine solche Kraft zwischen dem Antirasselbauteil und dem zweiten Bauteil in Antriebsrichtung wirkt, dass die Bauteilverzahnungen auch bei hochfrequenten Anregungen (wie z. B. von einem Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor) nicht so innerhalb des Zahnflankenspiels umschlagen, dass ein Rasselgeräusch erzeugt wird. Ferner kann über die Antirasselverzahnungen ein Schleppmoment, insbesondere ein Reibmoment in Umfangsrichtung erzeugt werden, das die störenden Anregungen dämpft. Das Schleppmoment sollte dabei geeignet sein, die oszillierenden Massenkräfte zu verringern, insbesondere zu eliminieren.
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Bei dieser Ausführungsform können alle fertigungsbedingten Toleranzen sowie thermischen Deformationen, die sich auf die Drehflankenspiele auswirken, bevorzugt bis zu 100% ausgeglichen werden.
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Dabei kann das Antirasselbauteil in radialer Richtung beweglich gelagert sein. Bei dieser Ausführungsform kann aufgrund des radialen Ausweichens im Bereich des Zahneingriffs ein Mittelpunkt des Antirasselbauteils exzentrisch gegenüber einem Mittelpunkt des zweiten Bauteils versetzt angeordnet sein. Hierbei kann mit anderen Worten ein beliebiger Punkt des Antirasselbauteils eine kreisförmige Bewegung um den Mittelpunkt des zweiten Bauteils herum ausführen.
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Die Bauteilpaarung ist eine Zahnradpaarung. In diesem Fall ist die Antriebsrichtung eine in Umfangsrichtung des antreibenden Zahnrades gerichtete Antriebsrichtung. In diesem Fall kann man ein Bauteil als geteiltes Rad auffassen, wobei ein Teil für die Lastübertragung verantwortlich ist und der andere Teil (Antirasselbauteil) für die Spielfreiheit sorgen kann.
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Die erfindungsgemäße Bauteilpaarung ist ferner in beiden Drehrichtungen wirksam. Ferner ist die erfindungsgemäße Bauteilpaarung sowohl bei gerad- als auch bei schrägverzahnten Bauteilverzahnungen anwendbar.
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Die Antirasselverzahnungen können hinsichtlich der Zahnformen identisch oder ähnlich aufgebaut sein wie die Bauteilverzahnungen. Die Antirasselverzahnungen können jedoch auch eine beliebige andere Form besitzen, wobei es bevorzugt ist, wenn die Antirasselverzahnungen punkt- oder linienförmig aneinander angreifen.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Antirasselverzahnungen punkt- oder linienförmig auf der Höhe des Wälzkreises miteinander in Eingriff stehen.
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Bei der erfindungsgemäßen Bauteilpaarung ist es generell irrelevant, ob das erste oder das zweite Bauteil das antreibende Bauteil ist. Bevorzugt ist das Antirasselbauteil jedoch mit einem Festrad (also einem Zahnrad, das fest mit einer Drehwelle verbunden ist) verbunden, da das hiermit in Eingriff stehende Losrad häufig durch Schaltkupplungen (Synchronisierungen etc.) verbaut ist, so dass das Antirasselbauteil dort nicht oder nur mit größerem Aufwand angebracht werden kann.
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Ferner versteht sich, dass einem Bauteil wie einem Zahnrad auch zwei oder mehr Antirasselbauteile zugeordnet sein können, beispielsweise auf axial gegenüberliegenden Seiten eines Zahnrades. Dies ist insbesondere dann bevorzugt, wenn das zweite Bauteil mit mehr als einem ersten Bauteil in Eingriff steht. Dabei kann jedes Antirasselbauteil auf die spezielle Verzahnung mit einem anderen ersten Bauteil abgestimmt werden.
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Zur Terminologie ist dabei folgendes anzumerken. Wenn irgendeine Verzahnung eine andere Verzahnung antreibt, lastlos oder leistungsführend, dann zieht diese Verzahnung die angetriebene Verzahnung über die Zugflanke der treibenden Verzahnung an der Zugflanke der angetriebenen Verzahnung im Sinne der momentanen Antriebs- bzw. Umlaufrichtung. Kommt es zu Umschlägen der Flankenanlagen – wie etwa beim Rasseln oder Zug-Schub-Lastwechselreaktionen – dann kommen die Rückflanken dieser Zahnräder zum Eingriff. Diese Terminologie ändert sich dann, wenn sich der Drehsinn oder die Antriebs- bzw. Umlaufrichtung dieser Verzahnungspaarung ändert.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird die Zugflanke der treibenden Verzahnung auch als Schubflanke bezeichnet, und die Zugflanke der angetriebenen Verzahnung auch als Rückflanke. Gleichermaßen werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung die nicht im Eingriff befindlichen Rückflanken ebenfalls als Schubflanke bzw. Rückflanke bezeichnet.
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Ferner ist die Zahnzahl und/oder die Zahnteilung (Modul) der Bauteilverzahnungen und der jeweils zugeordneten Antirasselverzahnungen vorzugsweise identisch. Im Gegensatz zu Antirasselmaßnahmen, bei denen beispielsweise die Antirasselverzahnung des Antirasselbauteils einen Zahn mehr oder weniger hat als die zugeordnete Bauteilverzahnung, werden aufgrund der identischen Zahnzahl bzw. Zahnteilung ständige Verspannungen und eine damit einhergehende Wirkungsgradverschlechterung vermieden. (Gegebenenfalls kann jedoch die Antirasselverzahnung dieselbe Teilung, aber weniger Zähne aufweisen als die zugeordnete Bauteilverzahnung, indem nur jedem zweiten, dritten, vierten (allgemein n-ten) Bauteilzahn ein Antirasselzahn zugeordnet ist, und zwar insbesondere in Abhängigkeit von dem Frequenzbereich der störenden Anregung; eine hinreichende Sprungüberdeckung sollte gegeben sein).
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Auch ist es bevorzugt, wenn die Bauteilverzahnungen und die jeweils zugeordneten Antirasselverzahnungen hinsichtlich anderer Verzahnungseigenschaften im Wesentlichen identisch sind, beispielsweise hinsichtlich des Verzahnungstyps (z. B. Evolventenverzahnung), des Schrägungswinkels, des Kopfkreisdurchmessers, des Teilkreisdurchmessers, des Eingriffswinkels, etc.
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Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Getriebe mit einer solchen Bauteilpaarung, insbesondere ein Kraftfahrzeuggetriebe, und durch einen Antriebsstrang mit einem solchen Getriebe.
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Sofern das Kraftfahrzeuggetriebe als Stufengetriebe in Vorgelegebauweise ausgebildet ist, können ein oder mehrere Radsätze (jeweils mit einem Losrad und wenigstens einem Festrad) eine erfindungsgemäße Bauteilpaarung aufweisen. Die Rasselneigung derartiger Getriebe kann durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen soweit verringert werden, dass das Stufengetriebe ohne Zweimassenschwungrad (ZMS) ausgeführt sein kann. Dies führt zu einem deutlich höheren Wirkungsgrad, da die Gesamtmasse bzw. der sog. Massenfaktor verringert werden können. Auch die erheblichen Kosten für ein ZMS können so eingespart werden. Ferner kann die bei ZMS störende Aufschaukelneigung verringert werden. Zudem kann durch die Verringerung der zu beschleunigenden Drehmassen ein besseres Ansprechverhalten erzielt werden (das so ausgestattete Fahrzeug „hängt besser am Gas”). Ein Antriebsstrang mit einem solchen Stufengetriebe kann dabei eine angepasste Anfahrkupplung aufweisen, die einen integrierten Torsionsdämpfer (torsionsgedämpfte Kupplungsscheibe) aufweist. Das Stufengetriebe kann ein manuelles, eine automatisiertes oder ein Doppelkupplungsgetriebe sein.
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Sofern das Getriebe als Wandlerautomat ausgebildet ist, kann wenigstens einer der Planetenradsätze eine erfindungsgemäße Bauteilpaarung aufweisen. Die hierdurch verringere Rasselneigung kann dazu genutzt werden, um eine den hydrodynamischen Wandler überbrückende Überbrückungskupplung häufiger (früher) zu schließen. Hierdurch kann der Wirkungsgrad gesteigert werden.
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Die Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
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Von besonderem Vorzug ist es, wenn wenigstens zwei in Umfangsrichtung verteilt angeordnete, radial vorstehende erste Bajonettnasen mit dem Antirasselbauteil verbunden sind.
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Dies ermöglicht eine einfache Realisierung der Bajonettverbindung. Die ersten Bajonettnasen stehen vorzugsweise radial nach innen vor.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die ersten Bajonettnasen einstückig mit dem Antirasselbauteil ausgebildet sind. Hierdurch kann die Anzahl der Bauelemente reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens zwei in Umfangsrichtung verteilt angeordnete, radial vorstehende zweite Bajonettnasen mit dem zweiten Bauteil verbunden.
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Auch dies ermöglicht eine einfache Realisierung der Bajonettverbindung.
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Die Anzahl der ersten und zweiten Bajonettnasen ist vorzugsweise gleich groß und beträgt beispielsweise drei, vier oder mehr Bajonettnasen, die über den Umfang verteilt sind.
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Die zweiten Bajonettnasen sind vorzugsweise einstückig mit einem Bajonettring ausgebildet, der starr mit dem zweiten Bauteil verbunden ist. Die starre Verbindung kann beispielsweise über eine stoffschlüssige Verbindung wie Laserschweißen oder dgl. eingerichtet werden.
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Ferner ist es insgesamt bevorzugt, wenn das Antirasselbauteil an dem zweiten Bauteil axial festgelegt ist, indem das Antirasselbauteil so gegenüber dem zweiten Bauteil verdreht ist, dass erste Bajonettnasen, die mit dem Antirasselbauteil verbunden sind, zweite Bajonettnasen axial hintergreifen, die mit dem zweiten Bauteil verbunden sind.
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Hierdurch kann die Bajonettverbindung mit wenigen Bauelementen realisiert werden.
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Ferner ist es insgesamt vorteilhaft, wenn die Bajonettverbindung verriegelt ist, indem die erste und die zweite Antirasselverzahnung in Eingriff stehen.
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Bei dieser Ausführungsform ist ein Lösen der Bajonettverbindung in der fertig gestellten Bauteilpaarung nicht mehr möglich. Das Antirasselbauteil wird an dem zweiten Bauteil als erstes vormontiert, so dass diese Bauteile gemeinsam eine vormontierte Baueinheit bilden. Das Antirasselbauteil ist hierbei durch die Bajonettverbindung zunächst nur axial an dem zweiten Bauteil gesichert, lässt sich jedoch noch gegenüber dem zweiten Bauteil verdrehen. Sobald das zweite Bauteil mit dem Antirasselbauteil gemeinsam mit dem ersten Bauteil in Eingriff gebracht wird, greifen die Bauteilverzahnungen und die Rasselverzahnungen ineinander und verhindern so ein Verdrehen des Antirasselbauteils gegenüber dem zweiten Bauteil um einen Winkelbereich, so dass die Bajonettverbindung wieder gelöst würde. Mit anderen Worten wird die Bajonettverbindung hierdurch verriegelt.
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Der Reibeingriff kann generell an beliebiger Stelle zwischen dem Antirasselbauteil und dem zweiten Bauteil (oder damit verbundenen Bauteilen) eingerichtet werden. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn der Reibeingriff durch aneinander anliegende Flächen von ersten Bajonettnasen und zweiten Bajonettnasen der Bajonettverbindung eingerichtet wird.
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Derartige erste und zweite Bajonettnasen können generell genau in radialer Richtung ausgerichtet sein. Hierbei wird die Reibwirkung im Wesentlichen durch eine Scherbewegung der aneinander anliegenden Reibabschnitte definiert. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die Wirkung des Reibeingriffs unter einem Kegelwinkel > 0 gegenüber der radialen oder der axialen Richtung erfolgt. Hierdurch kann auch eine Zentrierung des Antirasselbauteils 30 in Bezug auf das zweite Bauteil 14 realisiert werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn erste Bajonettnasen, die mit dem Antirasselbauteil verbunden sind, und zweite Bajonettnasen, die mit dem zweiten Bauteil verbunden sind, unter einem Kegelwinkel > 0° gegenüber der radialen oder der axialen Richtung ausgerichtet sind.
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Durch einen solchen Kegel- bzw. Konuswinkel kann zum einen, ähnlich wie bei Synchronringkegeln in Fahrzeuggetrieben, eine Selbsthemmung vermieden werden. Ferner kann die Reibwirkung bzw. die von dem Reibeingriff aufgebrachte Gegenkraft gegen eine Relativbewegung des Antirasselbauteils und des zweiten Bauteils erhöht werden.
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Besonders bevorzugt liegt der Kegelwinkel im Bereich von 10° bis 50°, beispielsweise 17° oder 37°.
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Der Reibeingriff kann ferner dadurch eingestellt werden, dass die den Reibeingriff bildenden Oberflächen mit einem Reibbelag beschichtet werden, beispielsweise einem Streusinter-, einem Papier- oder einem Karbonbelag. Hierdurch lassen sich exakte und über die Lebensdauer gleichbleibende Reibwerte einstellen.
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Die Reibung gegenüber einer relativen Radialbewegung des Antirasselbauteils und des zweiten Bauteils wird vorzugsweise auf Werte von 5 Nmm bis 500 Nmm eingestellt. Hierdurch kann erreicht werden, dass Rasselbewegungen eine hinreichende Reibung entgegengesetzt wird.
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Von besonderem Vorzug ist es ferner, wenn das Antirasselbauteil so angeordnet bzw. ausgebildet ist, dass es im Bereich des Zahneingriffs mit der ersten Antirasselverzahnung in radialer Richtung von dem ersten Bauteil weggedrückt wird, also im Bereich des Zahneingriffs radial ausweicht.
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Sofern das Antirasselbauteil und das zweite Bauteil über einen Reibeingriff miteinander in Verbindung stehen, können Relativbewegungen zwischen dem zweiten Bauteil und dem Antirasselbauteil aufgrund des Reibeingriffes gedämpft werden. Hierdurch kann ein Umschlagen der Bauteilverzahnungen und folglich ein Rasseln oder Klappern verhindert werden.
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Die radiale Auslenkbarkeit des Antirasselbauteils gegenüber dem zweiten Bauteil, an dem das Antirasselbauteil festgelegt ist, ermöglicht jedoch nicht nur eine Erhöhung der Reibkräfte. Auch können Klemmeffekte während eines Zweiflanken-Wälzeingriffes verringert und vorzugsweise vermieden werden.
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Da das radiale Wegdrücken des Antirasselbauteils mit einer relativ geringen Kraft erfolgt, ist der Wirkungsgradverlust der Antirasselmaßnahme nicht groß.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Antirasselbauteil derart angeordnet bzw. ausgebildet, dass zwischen der ersten und der zweiten Antirasselverzahnung ein permanenter Zweiflanken-Wälzeingriff gegeben ist.
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Mit anderen Worten stehen die erste und die zweite Antirasselverzahnung so in Wälzeingriff, dass beispielsweise immer wenigstens ein Zahn der zweiten Antirasselverzahnung die beiden gegenüberliegenden Flanken einer Zahnlücke der ersten Antirasselverzahnung berührt. Zwar ist es generell auch denkbar, die Antirasselverzahnungen so aufeinander auszulegen, dass zwischen diesen ebenfalls ein gewisses Zahnflankenspiel herrscht (wie es auch in der Regel bei der Bauteilverzahnung vorhanden ist). In diesem Fall ist das Zahnflankenspiel der Antirasselverzahnungen jedoch vorzugsweise kleiner als das Zahnflankenspiel der Bauteilverzahnungen.
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Durch den Zweiflanken-Wälzeingriff können zudem Relativbewegungen der Bauteile in Antriebsrichtung in beide Drehrichtungen gedämpft werden.
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Generell kann der Zweiflanken-Wälzeingriff auf beliebige Art und Weise realisiert werden, beispielsweise durch eine positive Profilverschiebung und/oder dadurch, dass die zweite Antirasselverzahnung einen größeren Teilkreisdurchmesser aufweist als die zugeordnete zweite Bauteilverzahnung.
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Von besonderem Vorzug ist es jedoch, wenn die Zähne von einer der Antirasselverzahnungen eine Zahndicke aufweisen, die größer oder gleich der Zahnlücke der Zähne der anderen Antirasselverzahnung ist.
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Mit anderen Worten wird der Zweiflanken-Wälzeingriff dadurch realisiert, dass das Zahnflankenspiel zwischen den Antirasselverzahnungen zu null bzw. negativ ausgebildet wird. Wenn die Zahndicke größer ist als die Zahnlücke, dann wird das Antirasselbauteil im Bereich des Zahneingriffs der Antirasselverzahnungen in radialer Richtung weggedrückt, und zwar von dem ersten Bauteil weg bzw. zu dem zweiten Bauteil hin.
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Wie oben erwähnt, kann hierdurch eine Reibkraft zwischen dem Antirasselbauteil und dem zweiten Bauteil in Antriebsrichtung erhöht werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Zahndicke der Zähne von einer der Antirasselverzahnungen um 20 μm bis 500 μm, insbesondere um 50 μm bis 250 μm größer als die Zahndicke der Zähne des zugeordneten Bauteils, und/oder durch eine entsprechende Profilverschiebung.
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Diese Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die erste Antirasselverzahnung durch die erste Bauteilverzahnung gebildet wird. Durch dieses Zahndickenaufmaß kann erreicht werden, dass beispielsweise die Zahndicke der zweiten Antirasselverzahnung größer ist als die größte Zahnlücke der ersten Antirasselverzahnung, und zwar bei allen Betriebszuständen und allen Randbedingungen (funktionsbedingte, fertigungsbedingte (Toleranzen sowie bei beliebiger thermischer und/oder mechanischer Deformation der Bauteile).
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Von besonderem Vorzug ist es ferner, wenn die radiale Auslenkung des Antirasselbauteils im Bereich des Zahneingriffs mit der ersten Antirasselverzahnung kleiner ist als 500 μm, insbesondere kleiner als 250 μm, besonders bevorzugt kleiner als 150 μm.
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Durch die Dimensionierung der Antirasselverzahnungen derart, dass nur eine derart kleine radiale Auslenkung erzielt wird, kann der Wirkungsgrad der Antirasselmaßnahme sehr hoch sein, auch wenn die hierdurch in das Antirasselbauteil eingeleiteten Kräfte hinreichend sind, um ein Rasseln oder Klappern der Bauteilverzahnungen zu verringern und vorzugsweise zu verhindern.
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Die obigen Dimensionierungen betreffend die Zahndicke, die radiale Auslenkung und die Federrate beziehen sich auf ein übliches Kraftfahrzeuggetriebe für Personenkraftwagen, insbesondere auf einen Achsabstand der die Bauteile tragenden Wellen im Bereich von 60 mm bis 90 mm und/oder auf ein maximal über das Getriebe übertragbares Moment im Bereich von 150 Nm bis 300 Nm. Bei kleineren oder größeren Bauteilpaarungen sind diese Werte entsprechend anzupassen.
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Obgleich es generell bevorzugt ist, das Antirasselbauteil und das zweite Bauteil über einen Reibeingriff in Antriebsrichtung miteinander zu verbinden, kann das Antirasselbauteil auch in Antriebsrichtung formschlüssig mit dem zweiten Bauteil verbunden sein.
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Bei dieser Ausführungsform kann es von Vorteil sein, wenn das Antirasselbauteil selbst in Antriebsrichtung eine gewisse Elastizität zwischen der zweiten Antirasselverzahnung und dem Lageabschnitt des Antirasselbauteils aufweist, um Schwingungsanregungen in Antriebsrichtung dämpfen zu können.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an dem zweiten Bauteil ein axial vorstehender Ringvorsprung ausgebildet, der dem Antirasselbauteil zugewandt ist.
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Der Ringvorsprung kann beispielsweise zur Einrichtung der Bajonettverbindung dienen. Der Ringvorsprung kann jedoch auch noch weitere Funktionen besitzen.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Antirasselbauteil seitlich neben dem zweiten Bauteil angeordnet ist.
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Dies vereinfacht die Konstruktion, wobei unter einer Anordnung seitlich neben dem zweiten Bauteil auch verstanden werden soll, dass das Antirasselbauteil auf einem axial vorstehenden Ringvorsprung des zweiten Bauteils geführt ist. Besonders bevorzugt ist es dabei jedoch, wenn die Antirasselverzahnungen seitlich neben den Bauteilverzahnungen angeordnet sind.
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Das Antirasselbauteil kann aus einem beliebigen geeigneten Material, wie z. B. Stahl, hergestellt sein.
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Es ist jedoch insgesamt vorteilhaft, wenn das Antirasselbauteil aus Kunststoff hergestellt ist.
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Als Kunststoff kann beispielsweise Polyamid verwendet werden, das eine hohe Festigkeit und Steifigkeit sowie eine sehr gute chemische Beständigkeit besitzt. Ferner weist Polyamid einen hohen Verschleißwiderstand und gute Gleiteigenschaften auf.
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Die mechanischen Eigenschaften lassen sich durch Faserverbunde mit Glas- oder Kohlefasern anpassen, insbesondere um die Wasseraufnahme zu senken.
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Vorzugsweise werden Additive auf Polyolefin-Basis hinzugegeben, um eine hohe Schlagfähigkeit zu gewährleisten.
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Ferner kann das Antirasselbauteil aus Kunststoff kostengünstig hergestellt werden. Zudem ist es möglich, das Antirasselbauteil aus Kunststoff mit relativ hoher Präzision zu fertigen, so dass das Zahnflankenspiel zwischen den Antirasselverzahnungen geringer ausgebildet sein kann als das Zahnflankenspiel zwischen den Bauteilverzahnungen.
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Daher ist es bevorzugt, wenn das Antirasselbauteil mit einer höheren Präzision gefertigt ist als das zweite Bauteil.
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Das Antirasselbauteil kann ferner vorzugsweise als steifes, im Wesentlichen nicht elastisches Bauteil ausgebildet sein, was dessen Herstellungskosten erheblich verringert. Zudem können sich bei einer solchen Ausgestaltung keine Probleme im Betrieb der Bauteilpaarung aufgrund solcher elastischen Eigenschaften ergeben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die zweite Antirasselverzahnung und/oder die erste Antirasselverzahnung Zähne auf, die in Antriebsrichtung elastisch verformbar sind.
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Auf diese Weise können dann, wenn die Antirasselverzahnungen ein Zahnspiel aufweisen, Geräusche, die beim Umschlagen der Antirasselverzahnungen auftreten, gedämpft werden. Die elastische Verformbarkeit der Zähne in Antriebsrichtung kann jedoch auch bei einem Zweiflanken-Wälzeingriff zwischen den Antirasselverzahnungen sinnvoll sein, und zwar aus den oben genannten Gründen.
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Bevorzugt ist es ferner, wenn die zweite Antirasselverzahnung Zähne aufweist, die vom Zahnkopf aus mit radialen Schlitzen ausgebildet sind.
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Auf diese Weise kann die elastische Verformbarkeit auch bei relativ steifen Kunststoffen (oder sonstigen Werkstoffen des Antirasselbauteils, wie z. B. Stahl) erhöht werden.
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Die erste Antirasselverzahnung ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an dem ersten Bauteil ausgebildet.
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Hierdurch kann die Teileanzahl verringert werden.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn die erste Antirasselverzahnung mit der ersten Bauteilverzahnung ausgerichtet ist, insbesondere in axialer Richtung. Mit anderen Worten können hierbei Zähne der ersten Bauteilverzahnung mit Zähnen der ersten Antirasselverzahnung ausgerichtet sein.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die erste Antirasselverzahnung Teil der ersten Bauteilverzahnung ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist die erste Bauteilverzahnung generell breiter ausgebildet als die zweite Bauteilverzahnung, wobei der axial überstehende Teil der ersten Bauteilverzahnung die erste Antirasselverzahnung bildet.
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Auf diese Weise kann das erste Bauteil kostengünstig gefertigt werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die erste Antirasselverzahnung an einem Gegenbauteil ausgebildet, das an dem ersten Bauteil starr festgelegt ist.
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Bei dieser Ausführungsform können die Antirasselverzahnungen von der Geometrie und/oder von der Materialauswahl her ideal aufeinander abgestimmt werden.
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Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn das Gegenbauteil seitlich neben dem ersten Bauteil angeordnet ist.
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Insgesamt ist es ferner vorteilhaft, wenn das zweite Bauteil und das Antirasselbauteil axial elastisch gegeneinander verspannt sind, um die Reibabschnitte aneinander anzudrücken. Dabei kann das Antirasselbauteil selbst im Wesentlichen starr bzw. steif ausgebildet sein, wohingegen z. B. zweite Bajonettnasen, die durch die Bajonettverbindung von dem Antirasselbauteil axial hintergriffen werden, in axialer Richtung elastisch ausgebildet sein können.
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Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass auch über eine längere Lebensdauer der Bauteilpaarung immer eine hinreichende Reibkraft zum Verzögern des Umschlagens der Bauteilverzahnungen zur Verfügung steht.
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Der Antirasselmechanismus der erfindungsgemäßen Bauteilpaarung ist kein Getriebe im maschinenbautechnischen Sinn sondern ein Abstützmechanismus zum Zurückhalten bzw. Verzögern bzw. Dampfen der ansonsten im Drehflankenspiel hin- und herschwingenden Verzahnungen. Da das Antirasselbauteil relativ schmal ausgebildet werden kann (beispielsweise im Bereich von 0,5 bis 8 mm, insbesondere von 1 bis 5 mm), ergeben sich auch keine wesentlich erhöhten Planschverluste.
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Der Antirasselmechanismus kann mit geringem Gewicht bereitgestellt werden und zu geringen Kosten. Nebengeräusche wie Heulen werden nicht erzeugt. Bei Lastwechselschlägen (also tieffrequentem Umschlagen) wird der Antirasselmechanismus überdrückt. Da der Mechanismus auch hierbei nur während der Phase des Umschlagens der Verzahnungen in Wirkung tritt, ergeben sich hierdurch keine Verschlechterungen beim Wirkungsgrad.
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Im Gegensatz zu Maßnahmen des Standes der Technik sind bei dem zweiten Aspekt der Erfindung das Antirasselbauteil und das zweite Bauteil in Antriebsrichtung gegeneinander beweglich. Da das Antirasselbauteil und das zweite Bauteil über den Reibgriff in einer Wirkbeziehung stehen, kann folglich die Freiflugphase der Bauteilverzahnungen beim Umschlagen minimiert werden, insbesondere dann, wenn das Zahnflankenspiel zwischen den Antirasselverzahnungen kleiner ist als das Zahnflankenspiel zwischen den Bauteilverzahnungen.
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Die erste und die zweite Antirasselverzahnung treten nach der Art von Verzahnungen formschlüssig miteinander in Eingriff. Die Verzahnungen müssen jedoch bei dem zweiten Aspekt der Erfindung in der Regel keine Evolventenverzahnungen wie die Bauteilverzahnungen sein. Vielmehr kann die Kontur der Zähne der Antirasselverzahnungen kugelförmig oder konvex profiliert sein. Im Idealfall berühren sich die Zähne der Antirasselverzahnungen in einem Punkt oder in einer Linie. Jegliche Profilpaarungen (konvex-konvex, plan-konvex oder konvex-plan) sind dabei denkbar.
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Insgesamt ist ergänzend folgendes anzumerken: Angestrebt wird eine möglichst 100%-ige Spieleliminierung durch das Antirasselbauteil, das vorzugsweise mit kleinen Kräften (etwa bis zu 50 N, insbesondere bis zu 30 N und besonders bevorzugt bis zu 10 N) und geringen Wegen (insbesondere kleiner 20 Mikrometer, vorzugsweise ca. 2–4 Mikrometer) in die Gegenzahnradlücke gedrückt wird. Die Abwälzeffekte bei umlaufenden Verzahnungen werden nicht behindert, tonale und andere stochastische Geräuscheffekte, insbesondere Rasseln, werden vermieden oder zumindest deutlich gemindert.
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Die Erfindung kann bei beliebigen umlaufenden abwälzenden Außen- oder Innenverzahnungen angewendet werden, also Stirnradgetriebe, Planetengetriebe.
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Die Anordnung des Antirasselbauteils (Mikrozahnrades) kann bei Geradverzahnungen beliebig auf der einen oder anderen oder beiden Seiten gleichzeitig des Mutterzahnrades erfolgen. Bei Schrägverzahnungen können sich je nach Richtung des Schrägungswinkels Vorzugsseiten der axialen Anordnung ergeben, etwa die eine oder die andere Seite des Mutterzahnrades. Denn in diesem Fall könnte das Mikrozahnrad als Folge der resultierenden Kräfteüberlagerungen entweder auf das Mutterzahnrad axial aufgedrückt oder von diesem weggedrückt werden.
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Das Antirasselbauteil ist vorzugsweise als Ringelement ausgebildet. Vorzugsweise liegt das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser des Ringelements im Bereich von 100:50 bis 100:95, insbesondere im Bereich von 100:60 bis 100:85, insbesondere im Bereich von 100:70 bis 100:80. Hierdurch kann das Antirasselbauteil mit geringem Gewicht ausgebildet werden.
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Mit der Erfindung wird folglich wenigstens einer der nachstehenden Vorteile erzielt. Zum einen sind elastische oder dampfende Bauteile vorzugsweise nicht mehr erforderlich. Die Einzelelemente, d. h. das Antirasselbauteil, der Bajonettring und die Profilierung an der Nabe bzw. dem Ringvorsprung des zweiten Bauteils sind konstruktiv einfach zu realisieren. Das Antirasselbauteil ist vorzugsweise radial verschieblich gelagert. Da sämtliche Einzelbestandteile der Antirasselmaßnahme wahlweise aus metallischen Werkstoffen, aus Kunststoffen oder anderen nicht metallischen Werkstoffen gefertigt werden können, sind keine Nachteile hinsichtlich der Betriebsfestigkeit zu erwarten.
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Vorzugsweise wird durch das Grundprinzip der Zahndickenaufweitung der zweiten Antirasselverzahnung ein Zweiflanken-Wälzeingriff mit der ersten Antirasselverzahnung erzielt, so dass eine hundertprozentige Minimierung bzw. Eliminierung des Drehflankenspiels der Bauteilverzahnungen möglich wird. Dabei ist das Antirasselbauteil gegenüber dem zweiten Bauteil zwar radial beweglich gelagert (vorzugsweise gegen die Wirkung des Reibeingriffs), ist aber vorzugsweise nicht radial elastisch gelagert. Durch die Bajonettverbindung wird das Antirasselbauteil nicht nur axial an dem zweiten Bauteil festgelegt. Vorzugsweise wird durch die Bajonettverbindung selbst auch eine gezielte Reibung eingestellt, beispielsweise in Werten von 5 Nmm bis 500 Nmm, damit das derart an dem zweiten Bauteil festgelegte Antirasselbauteil einem Hin- und Herschwingen des zweiten Bauteils oder des damit in Eingriff stehenden ersten Bauteils eine hinreichende Reibung entgegengesetzt wird. Rasseln und Klappern kann so wirksam unterdrückt werden.
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Das Antirasselbauteil kann ein Kunststoffspritzteil oder ein metallisches Feinstanzteil sein, dessen Komplexität niedrig ist. Es kann sich auch um ein kaltumformbares Bauteil handeln, das in Großserie hergestellt werden kann.
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Das Maß der radialen Beweglichkeit des Antirasselbauteils in Bezug auf das zweite Bauteil liegt vorzugsweise im Größenbereich von 50 bis 200 μm. Damit bewegt sich das Antirasselbauteil nur sehr gering in radialer Richtung in Bezug auf das zweite Bauteil. Da es bei dem Umlauf der Bauteilverzahnungen somit ständig zu einer Radialverschiebung bzw. Taumelbewegung des Antirasselbauteils in Bezug auf das zweite Bauteil kommt, entsteht eine reibungsbedingte Verlustleistung, die im Wert < 10 Watt bei 6000 Umdrehungen pro Minute liegen kann.
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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 schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Bauteilpaarung;
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2 eine Abwandlung der Bauteilpaarung der 1;
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3 eine perspektivische Explosionsansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bauteilpaarung;
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4 eine perspektivische Teilansicht der Bauteilpaarung der 3 im zusammengebauten Zustand;
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5 eine schematische Darstellung der Relativbewegung von Antirasselbauteil und zweitem Bauteil einer erfindungsgemäßen Bauteilpaarung;
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6 eine schematische Darstellung eines Zahneingriffs einer erfindungsgemäßen Bauteilpaarung;
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7 eine schematische Abwicklung einer Bauteilpaarung aus einem Festrad und einem Losrad gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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8 eine der 1 vergleichbare Ansicht, wobei sich eine Schubflanke des Festrades von einer Rückflanke des Losrades löst;
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9 eine der 1 vergleichbare Ansicht, wobei eine Rückflanke des Festrades an einer Schubflanke des Losrades anliegt;
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10 eine schematische Darstellung eines ersten Antriebsstranges für ein Kraftfahrzeug; und
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11 eine schematische Darstellung eines weiteren Antriebsstranges für ein Kraftfahrzeug.
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Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mechanischen Bauteilpaarung ist in 1 dargestellt und generell mit 10 bezeichnet.
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Die Bauteilpaarung 10 weist ein erstes Bauteil 12 in Form eines Losrades und ein zweites Bauteil 14 in Form eines Festrades auf. Das Festrad 14 ist im vorliegenden Fall beispielsweise das antreibende Bauteil. Das Losrad 12 weist eine erste Bauteilverzahnung 16 auf. Das Festrad 14 weist eine zweite Bauteilverzahnung 18 auf.
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Das Losrad 12 wird mittels des Festrades 14 in einer Antriebsrichtung 20 angetrieben. Dabei berührt eine Schubflanke 22 der zweiten Verzahnung 18 eine Rückflanke 26 der ersten Verzahnung 16 (siehe 7–9).
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Die Verzahnungen 16, 18 sind mit einem gewissen Zahnflankenspiel ausgebildet, das in 7 mit 24 bezeichnet ist.
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Das Zahnflankenspiel 24 ist im vorliegenden Fall die Distanz zwischen einer Rückflanke der zweiten Verzahnung 18 und einer Schubflanke 28 der ersten Verzahnung 16.
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Derartige Verzahnungen sind allgemein bekannt. Aufgrund des Zahnflankenspiels 24 kann es bei höherfrequenten Anregungen auf der Antriebsseite zu so genannten Rasselgeräuschen kommen. Hierbei schlagen die Verzahnungen 16, 18 um, so dass sich abwechselnd die Flanken 27, 28 und die Flanken 22, 26 berühren.
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Insbesondere können solche hochfrequenten Anregungen bei Verwendung einer solchen Bauteilpaarung 10 in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges auftreten, beispielsweise in einem Stufen- bzw. Stirnradgetriebe eines solchen Antriebsstranges. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Getriebe eingangsseitig mit einem Antriebsmotor gekoppelt ist, der Vibrationen erzeugt, wie beispielsweise ein Verbrennungsmotor.
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Zum Verhindern dieser Rasselgeräusche ist die Bauteilpaarung 10 mit einem Antirasselmechanismus ausgestattet, der ein Antirasselbauteil 30 beinhaltet (siehe 1). Das Antirasselbauteil 30 ist mit dem Festrad 14 gekoppelt, und zwar so, dass das Antirasselbauteil 30 in radialer Richtung 115 und/oder in Antriebsrichtung 20 beweglich gegenüber dem Festrad 14 ist. Das Antirasselbauteil 30 steht mit einer ersten Antirasselverzahnung 32 in Eingriff, die an dem Losrad 12 vorgesehen ist. Zu diesem Zweck weist das Antirasselbauteil 30 eine zweite Antirasselverzahnung 33 auf.
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Die erste Antirasselverzahnung 32 kann ein axialer Abschnitt der ersten Verzahnung 16 sein. Die erste Antirasselverzahnung 32 kann jedoch auch anders geformt sein als die erste Verzahnung 16, jedoch axial ausgerichtet hierzu geformt sein.
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Das Antirasselbauteil 30 wird mit einer relativ hohen Präzision als im Wesentlichen starres Bauteil gefertigt.
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Das Antirasselbauteil 30 ist ferner an dem Festrad 14 über einen Reibeingriff 38 geführt. Hierzu sind an dem Antirasselbauteil 30 (bzw. hiermit verbundenen Komponenten) und an dem Festrad 14 (oder hiermit verbundenen Komponenten) entsprechende Reibflächen ausgebildet, die vorzugsweise durch eine axiale Andruckkraft 36 miteinander in Eingriff gebracht werden. Die entsprechende Darstellung ist in 1 schematischer Natur und soll lediglich andeuten, dass das Antirasselbauteil 30 relativ zu dem Festrad 14 bewegt werden kann, wobei hierbei jedoch eine gewisse Reibkraft aufgrund des Reibeingriffes 38 zu überwinden ist. Durch diesen Antirasselmechanismus können Rasselgeräusche, wie oben beschrieben, deutlich reduziert oder sogar vollständig eliminiert werden.
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Das Antirasselbauteil 30 ist an dem Festrad 14 durch eine Bajonettverbindung 40 festgelegt. Die Bajonettverbindung 40 ist radial außerhalb eines Ringvorsprungs 42 des Festrades 14 angeordnet und beinhaltet erste Bajonettnasen 44, die mit dem Antirasselbauteil 30 verbunden sind, und zweite Bajonettnasen 46, die mit dem Ringvorsprung 42 verbunden sind. Genauer gesagt sind die zweiten Bajonettnasen 46 an einem Bajonettring 48 ausgebildet, der fest (beispielsweise einstückig oder stoffschlüssig durch Laserschweißen oder Ähnliches) an dem Ringvorsprung 42 festgelegt ist. Die Verbindung zwischen dem Bajonettring 42 und dem Ringvorsprung 42 ist bei 50 gezeigt.
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Zur Montage des Antirasselbauteils 30 an dem Festrad 14 wird das Antirasselbauteil 30 in axialer Richtung auf den Ringvorsprung 42 aufgeschoben und anschließend gegenüber dem Festrad 14 verdreht, so dass die ersten Bajonettnasen 44 die zweiten Bajonettnasen 46 axial hintergreifen. Hierdurch kann das Antirasselbauteil 30 mit dem Festrad 14 als vormontierte Einheit hergestellt werden. Beim Herstellen der Bauteilverzahnung 10 greifen die zweite Antirasselverzahnung 33 und die zweite Bauteilverzahnung 18 in die erste Bauteilverzahnung 16 (bzw. die erste Antirasselverzahnung 32), so dass eine Relativbewegung in Antriebsrichtung bzw. Umfangsrichtung 20 zwischen dem Antirasselbauteil 30 und dem Festrad 14 nur noch innerhalb des Zahnflankenspiels 24 (siehe 7) möglich ist. Durch diesen Herstellungsschritt wird die Bajonettverbindung 40 ”verriegelt”.
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Ferner ist die zweite Antirasselverzahnung 33 vorzugsweise so ausgebildet, dass diese in einem Zweiflanken-Wälzeingriff mit der ersten Antirasselverzahnung 32 steht. Dies kann, wie eingangs ausgeführt, beispielsweise durch Vergrößerung der Zahndicke der Zähne der zweiten Antirasselverzahnung 33 erfolgen. Hierdurch wird das Antirasselbauteil 30 im Bereich des Zahneingriffs in radialer Richtung 115 aus der ersten Antirasselverzahnung 32 herausgedrückt, so dass das Antirasselbauteil 30 insgesamt gegenüber dem Festrad 14 radial versetzt ist, wie es schematisch in 1 und 5 bei 150 gezeigt ist.
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Der Relativbewegung des Antirasselbauteils 30 in Bezug auf das Festrad 14 wirkt ein Reibeingriff 38 entgegen, der zwischen einander berührenden Flächen der ersten und zweiten Bajonettnasen 44, 46 eingerichtet ist. Diese Flächen können ggf. mit Reibbelägen versehen sein. Ferner kann alternativ oder zusätzlich hierzu ein Reibeingriff 38' zwischen einer Stirnseite des Antirasselbauteils 30 und einer daran anliegenden Stirnseite des Festrades 14 eingerichtet sein.
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Sofern im Betrieb Vibrationsanregungen auftreten, die zu einem Rasseln zwischen den Bauteilverzahnungen 16, 18 führen könnten, so wird diese Relativbewegung in Umfangsrichtung 20 zwischen den zwei Bauteilen 12, 14 dadurch gedämpft bzw. eliminiert, dass das zweite Bauteil 14 über den Reibeingriff 38 (bzw. 38') mit dem Antirasselbauteil 30 in Reibeingriff steht. Die der Rasselbewegung entgegenwirkende Reibkraft tritt dabei sofort ein, da die Antirasselverzahnungen 32, 33 in einem Zweiflanken-Wälzkontakt stehen. Der Zweiflanken-Wälzkontakt sorgt folglich für eine sofort einsetzende Gegenwirkung zu der Rasselbewegung. Andererseits ist damit eine gewisse Relativbewegung des Antirasselbauteils 30 in Bezug auf das zweite Bauteil 14 auch in radialer Richtung verbunden, die ebenfalls über den Reibeingriff 38 (bzw. 38') einen Widerstand erfährt, was mit einer gewissen Verlustleistung einhergeht. Da die Bewegung in radialer Richtung 115 jedoch sehr klein ist, kann diese Verlustleistung ebenfalls sehr klein sein.
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Das Antirasselbauteil 30 ist vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff hergestellt, insbesondere aus Polyamid. Das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14 sind vorzugsweise aus Metall hergestellt, beispielsweise aus Stahllegierungen unter Verwendung von Chrom, Nickel, Molybdän etc.
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In den folgenden Figuren sind alternative oder abgewandelte Ausführungsformen von Bauteilpaarungen gezeigt, die hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell der Bauteilpaarung 10 der 1 entsprechen. Gleiche Elemente sind daher mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Im Folgenden werden jeweils lediglich die Unterschiede erläutert.
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In 2 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, bei der die ersten und die zweiten Bajonettnasen 44, 46 unter einem Kegelwinkel 51 gegenüber der radialen Richtung 115 geneigt sind. Der Kegelwinkel 51 liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 50°.
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Durch die Einrichtung des Kegelwinkels kann die einem Rasseln entgegenwirkende Reibkraft erhöht werden. Zudem kann eine Selbsthemmung oder dgl. verhindert werden.
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In den 3 und 4 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bauteilpaarung gezeigt, die hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell der Bauteilpaarung 10 der 1 entspricht. Die Bauteilpaarung 10 der 3 und 4 beinhaltet einen Bajonettring 48, an dessen Umfang vier zweite Bajonettnasen 46 im Abstand von jeweils 90° vorgesehen sind. In entsprechender Anordnung sind an dem Innenumfang des Antirasselbauteils 30 vier erste Bajonettnasen 44 vorgesehen. Die ersten Bajonettnasen 44 weisen dabei einen sich vom Innenumfang des Antirasselbauteils 30 erstreckenden Radialsteg 52 auf, an den sich ein in Umfangsrichtung anschließender Tangentialsteg 54 anschließt. Der Tangentialsteg 54 kann in Bezug auf den Radialsteg 52 gekröpft ausgebildet sein, wie es in 3 zu erkennen ist. Hierdurch kann ggf. die Montage des Antirasselbauteils 30 beim Herstellen der Bajonettverbindung 40 vereinfacht werden. Ferner kann hierüber auch bei einem relativ steifen Material für das Antirasselbauteil 30 eine gewisse Axialfederung eingerichtet werden, um die Reibwirkung im Bereich des Reibeingriffs 38 zu realisieren.
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In 5 ist in schematischer Form eine Bauteilpaarung gezeigt, bei der das Antirasselbauteil 30 in radialer Richtung 115 auslenkbar ist. Dabei ist das Antirasselbauteil 30 insgesamt starr ausgebildet und radial beweglich gelagert. Beispielsweise aufgrund einer größeren Zahndicke (siehe unten) wird das Antirasselbauteil 30 dabei in radialer Richtung 115 aus der Antirasselverzahnung 32 des ersten Bauteils herausgedrückt. Hierdurch ergibt sich zwischen den Verzahnungen im Bereich des Zahneingriffs ein Radialversatz 150.
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Da das Antirasselbauteil 30 im Wesentlichen starr ausgebildet ist, wird dieses in Bezug auf das zweite Bauteil 40 insgesamt exzentrisch versetzt, so dass auch deren Mittelpunkte radial versetzt sind, wie es bei 152 gezeigt ist.
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In 6 ist in schematischer Form eine bevorzugte Ausführungsform einer Bauteilpaarung 10 gezeigt. Dabei wird beispielsweise das zweite Antirasselbauteil 14 mit einer Antriebskraft 160 in Antriebsrichtung angetrieben. Dabei liegt eine Flanke der zweiten Bauteilverzahnung 18 an einer Flanke der ersten Bauteilverzahnung 16 an. Dort wird eine Antriebskraft 162 auf das erste Bauteil 12 übertragen. Dies findet an einem Ort 164 des Zahneingriffs zwischen den Verzahnungen 16, 18 statt. In 6 ist ferner das Zahnflankenspiel 24 zwischen den Verzahnungen 16, 18 gezeigt.
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Die Antirasselverzahnung 33 des Antirasselbauteils 30 ist hingegen so ausgebildet, dass sie mit der ersten Antirasselverzahnung 32 des ersten Bauteils 12 in einem Zweiflanken-Wälzeingriff steht. Dabei findet ein Zahneingriff zwischen diesen Verzahnungen zum einen an einem Ort 166 statt, der beispielsweise mit dem Ort 164 zusammenfallen kann. Zum anderen berühren sich die Verzahnungen 33, 32 auch an einer gegenüberliegende Flanke, was bei 168 gezeigt ist.
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Die Zähne der zweiten Antirasselverzahnung 32 sind so ausgebildet, dass sie eine Zahndicke 170 aufweisen, die größer ist als eine Zahnlücke 172 der ersten Antirasselverzahnung 32. Dies führt dazu, dass der Zahn über die Zahneingriffe 166, 168 in radialer Richtung 115 aus der ersten Antirasselverzahnung 32 herausgedrückt wird, und zwar gegen die Kraft eines schematisch dargestellten Reibeingriffs 38. Die hierdurch bedingte radiale Auslenkung ist in 6 wiederum mit 150 dargestellt. In Bezug auf 6 ist anzumerken, dass die Differenz zwischen der Zahndicke 170 und der Zahnlücke 172 übertrieben vergrößert dargestellt ist, um den Sachverhalt deutlicher darzustellen. Demzufolge ist auch der Radialversatz 150 bereits übertrieben dargestellt. In der Regel ist dieser kleiner als 500 μm.
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Die Antirasselverzahnungen 32, 33 sind als Evolventenverzahnungen ausgebildet. Die Angaben der Zahndicke und der Zahnlücke beziehen sich dabei nach der üblichen Nomenklatur auf die Zahndicke im sogenannten Teilkreis.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen von Bauteilpaarungen erfüllen wenigstens einen der folgenden Vorteile:
Das Rasselproblem an einer spielbehafteten Bauteilpaarung wird durch nur ein Bauteil in einer Ebene gelöst.
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Ein Spielausgleich erfolgt entweder durch eine Profilverschiebung, durch dickere Zähne der Antirasselverzahnung 33 des Antirasselbauteils 30, durch eine kleinere Zahnlücke der Antirasselverzahnung 32, durch radiales Eindrücken des Antirasselbauteils 30 in die Antirasselverzahnung 32 des ersten Bauteils, durch Volumenvergrößerung des Antirasselbauteils, bis ein Spielausgleich („tight mesh”) erfolgt, durch Reibeingriff des Antirasselbauteils 30 in axialer oder radialer Richtung gegenüber dem zweiten Bauteil 14, wobei der Reibeingriff direkt oder indirekt erfolgen kann, und/oder durch eine axiale oder radiale Fixierung des Antirasselbauteils 30 an dem zweiten Bauteil 14.
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In den 7 bis 9 ist eine alternative Ausführungsform der Bauteilpaarung 10 gezeigt, die hinsichtlich Form und Funktionsweise generell den oben beschriebenen Ausführungsformen entspricht. Gleiche Elemente sind daher mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede erläutert.
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Die Bauteilpaarung 10 der 7 bis 9 unterscheidet sich dadurch, dass nicht nur zwischen den Bauteilverzahnungen 16, 18 ein Zahnflankenspiel 24 eingerichtet ist, sondern auch zwischen den Antirasselverzahnungen 32, 33, was in 7 als Umfangsspiel 34 gekennzeichnet ist. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die Zahndicke der zweiten Antirasselverzahnung 33 nicht größer ist als die Zahnlücke der ersten Antirasselverzahnung 32.
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Auch eine derartige Ausführungsform ist generell mit einer oben beschriebenen Bajonettverbindung 40 zwischen dem Antirasselbauteil 30 und dem zweiten Bauteil 14 realisierbar.
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Sofern sich aufgrund einer höherfrequenten Anregung die Schubflanke 22 der zweiten Verzahnung 18 von der Rückflanke 26 der ersten Verzahnung 16 löst, wird aufgrund des Reibeingriffes das Antirasselbauteil 30 hierbei mitgenommen. Zu einem gewissen Zeitpunkt, der in 2 gezeigt ist, schlägt die Rückflanke 26 der zweiten Antirasselverzahnung 33 an einer entsprechenden Schubflanke 22 der ersten Antirasselverzahnung 32 an (das Umfangsspiel 34 ist überwunden).
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Aufgrund der höherfrequenten Anregung wird das Festrad 14 dann weiter in die Umschlagsrichtung bewegt. Hierbei wird diese Bewegung jedoch aufgrund des Reibeingriffes 38 verzögert bzw. gebremst bzw. gedämpft. Demzufolge trifft die Rückflanke 27 des Festrades 14 mit einer deutlich verringerten Geschwindigkeit (im Idealfall mit der Geschwindigkeit Null oder gar nicht) auf der Schubflanke 28 des Losrades 16 auf.
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Bei der Rückbewegung des Festrades 14 in Bezug auf das Losrad 12 erfolgt der gleiche Ablauf. Das Antirasselbauteil 30 wird zunächst von dem Festrad 14 mitgenommen, bis dessen Schubflanke 18 an der Rückflanke 26 der ersten Antirasselverzahnung 32 anschlägt. In der Folge wird die weitere Bewegung des Festrades 14 auf das Losrad 12 zu wiederum aufgrund des Reibeingriffes 38 verzögert. Daher kann erreicht werden, dass die Schubflanke 22 dann mit einer nur geringen Geschwindigkeit auf die Rückflanke 26 auftrifft (oder im Idealfall mit der Geschwindigkeit Null bzw. gar nicht auftrifft).
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In einem Getriebe mit mehreren Radsätzen ist eine Antirasselmaßnahme wie oben bevorzugt an wenigstens einem, vorzugsweise jedem der Radsätze ausgebildet. Hierbei ist es bevorzugt, wenn der Antriebsstrang, in dem das Getriebe verwendet wird, an der Ausgangsseite des Verbrennungsmotors kein Zweimassenschwungrad aufweist. Für diesen Fall ist es bevorzugt, wenn nicht nur die Radsätze mit einer Antirasselmaßnahme ausgebildet sind, wie oben beschrieben, sondern wenn auch Rasselschwingungen der Synchronringe im Getriebe gemindert werden, beispielsweise durch Einclipsen von Wellfedern zwischen Kupplungskörper und Synchronring.
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In den 10 und 11 sind beispielhafte Antriebsstränge für Kraftfahrzeuge gezeigt, in denen die erfindungsgemäße Bauteilpaarung zum Einsatz kommen kann.
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10 zeigt in schematischer Form einen Antriebsstrang 180 für ein Kraftfahrzeug, der einen Verbrennungsmotor 182 und eine Anfahrkupplung 184 aufweist. Ferner beinhaltet der Antriebsstrang 180 ein in Vorgelegebauweise ausgeführtes Stufengetriebe 186, das in üblicher Weise eine Mehrzahl von Radsätzen 188 beinhaltet. Die Radsätze 188 sind mittels Schaltkupplungen (Synchronkupplungen) schaltbar, um unterschiedliche Gangstufen des Stufengetriebes 186 ein- bzw. auszulegen. Die Radsätze 188 beinhalten in der Regel einen Konstanten-Radsatz und eine Mehrzahl von Radsätzen, die jeweils ein Losrad und ein oder mehrere Festräder beinhalten.
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In 10 ist ferner beispielhaft dargestellt, dass wenigstens einer der Radsätze 188 eine Bauteilpaarung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Der Radsatz 188 beinhaltet ein erstes Bauteil 12 in Form eines Losrades, das mittels einer Synchronkupplung schaltbar ist, und ein zweites Bauteil 14 in Form eines Festrades. Dem Festrad 14 ist dabei ein Antirasselbauteil 30 der erfindungsgemäßen Art zugeordnet.
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11 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Antriebsstranges 200 für ein Kraftfahrzeug, der einen Antriebsmotor 182, einen hydrodynamischen Wandler 202 und ein Planetengetriebe 204 beinhaltet. Das Planetengetriebe 204 beinhaltet wenigstens einen Planetenradsatz 206, der durch nicht näher bezeichnete Kupplungen bzw. Bremsen schaltbar ist. Dabei bilden beispielsweise die Planetenräder des Planetenradsatzes 206 zweite Bauteile 14 im Sinne einer erfindungsgemäßen Bauteilpaarung. Das Sonnenrad ist als erstes Bauteil 12A ausgebildet, das Hohlrad ist ebenfalls als erstes Bauteil 12B ausgebildet. Die Planetenräder (die zweiten Bauteile) 14 stehen sowohl mit dem Sonnenrad 12A als auch mit dem Hohlrad 12B in Eingriff. Dabei kann wenigstens einem der Planetenräder 14 ein Antirasselbauteil 30 gemäß der vorliegenden Erfindung zugeordnet sein.
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Bei dem Antriebsstrang 180 der 10 ist es vorteilhaft, dass der Antriebsstrang zwischen dem Antriebsmotor 112 und der Kupplung 184 kein Zweimassen-Schwungrad beinhalten muss. Allerdings kann die Kupplung 184 selbst mit einem Torsionsdämpfer üblicher Bauart ausgestaltet sein, der eine zwei- oder mehrstufige Kennlinie beinhalten kann.
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Bei dem Antriebsstrang 200 ist es vorteilhaft, dass eine Überbrückungskupplung 208 zum Überbrücken des hydrodynamischen Wandlers 202 häufiger bzw. früher zugeschaltet werden kann, so dass der Wirkungsgrad des Antriebsstranges 200 gesteigert werden kann. Neben der Anwendung in Radsätzen von Getrieben sind auch folgende Anwendungen generell denkbar: Motorsteuerräder, Industriegetriebe, Pumpen, Zahnradpumpen, Werkzeugmaschinen, Haushaltsgeräte, Lifescience-Produkte wie elektrische Zahnbürsten, Küchenmaschinen. Die Verwendung in Getrieben ist nicht auf die Verwendung in Personenkraftwagen beschränkt, sondern auch auf die Verwendung in Getrieben für Nutzfahrzeuge abstimmbar.
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Hinsichtlich der Dimensionierung der erfindungsgemäßen Bauteilpaarungen ist ferner Folgendes zu beachten. In jedem Anwendungsfall sind die Dimensionierungen bzw. Geometrien gemäß den geforderten physikalischen Wirkprinzipien jeweils individuell durch brauchbare Rechenansätze und – sofern diese nicht hinreichend bekannt oder vorhanden sind – durch empirische Versuchsabstimmungen genau so festzulegen, dass die geforderte Funktion der Funktionsträger/Bauteile in jedem denkbaren Funktionsfall voll und wie gewünscht – wie oben beschrieben – erfüllt wird.
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Die benannten Zahlenwerte gelten insbesondere für ein Schaltgetriebe eines Personenkraftfahrzeuges mit einem Hubraum von 1,6 Litern und einem maximal übertragbaren Moment von 217 Nm. Der Hauptachsstand beträgt dabei zwischen Antriebswelle und Nebenwelle 72 mm. Jede andere Auslegung der Bauteilpaarung muss individuell neu abgestimmt werden. Dabei gilt näherungsweise, dass die Parameter Drehzahl, Amplitude der Winkelbeschleunigung und Massenträgheitsmomente in einem rationalen Verhältnis linear diese benannten Kräfte und Federsteifigkeiten der Bauteilpaarung beeinflussen. Vereinfacht ausgedrückt gilt also: doppelte Drehzahl, oder doppelte Amplitude der Winkelbeschleunigung oder doppeltes Massenträgheitsmoment des durch die Bauteilpaarung am Klappern und Rasseln zu hindernden Losteiles muss mit einer Verdoppelung der Federkräfte und Steifigkeiten erreicht werden. Umgekehrt gilt das Gleiche auch bei einer Halbierung der benannten Parameter. Für die Zahndickenaufweitung des Mikrozahnrades gilt (zumindest bei dem ersten Aspekt der Erfindung) generell unabhängig von der Baugröße und Bauform der Getriebe: Die Zahndicke des Mikrozahnrades muss immer größer sein als die jemals durch Fertigungsschwankungen, Wärmedehnung oder mechanische Deformation auftretende Zahnlücke des Gegenrades, damit immer sicher gewährleistet ist, dass durch die Zweiflankenwälzpaarung des Mikrozahnrades jegliches Drehflankenspiel zum Gegenrad zu 100% eliminiert ist.
