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Die Erfindung betrifft ein Kunststoff-Schraubrad beziehungsweise eine Schnecke eines Schraubradgetriebes, bei denen eine Struktur mit höherer thermischer Leitfähigkeit zur Entwärmung des Schraubrads beziehungsweise der Schnecke vorgesehen ist. Die Erfindung ist insbesondere bei einem Wischerantrieb oder Stellantrieb in einem Kraftfahrzeug verwendbar.
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Stand der Technik
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Es ist schon bekannt, dass bei einem Schraubradgetriebe durch Reibung an den Kontaktstellen von Zähnen des Schraubrads und der Schnecke eine Verlustleistung entsteht, durch die das Schraubrad und die Schnecke mehr oder weniger stark aufgeheizt werden. Die Verlustleistung kann bei Schraubradgetrieben in Abhängigkeit von der verwendeten Reibpaarung, der verwendeten Geometrie und dem Schmierstoff zwischen 5 und 50% der zu übertragenden Leistung betragen. Das Schraubrad wird in der Regel aus einem Kunststoff gefertigt. Die entstehende Wärme verringert mit zunehmender Temperatur die Festigkeit des Kunststoff-Materials. Dadurch sinkt im Dauerbetrieb beispielsweise bei einem Wischergetriebe die Belastbarkeit. Erschwerend kommt hinzu, dass auch der verwendete Schmierstoff bei hohen Temperaturen seine Schmiereigenschaften verschlechtert, so dass die Belastbarkeit des Schraubradgetriebes weiter gesenkt wird und dadurch frühzeitig unerwünschte Schäden auftreten können.
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Es ist des weiteren bekannt, dass für das Schraubrad ein Kunststoff wie POM Homopolymer (Polyoxymethylen), seltener PA (Polyamid) oder PEEK (Polyether Ether Keton) verwendet wird. Metalle werden meistens nicht verwendet, da hier der Wirkungsgrad des Getriebes absinkt, der Verschleiß und die Geräuschentwicklung höher sind und das Zahnrad deutlich schwerer werden würde.
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Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Warmableitung von einem Kunststoff-Schraubrad und/oder einer Schnecke eines Schraubradgetriebes zu verbessern. Des weiteren soll durch niedrigere Temperaturen die Belastbatkeit des Schraubradgetriebes verbessert werden und die Eigenschaften des verwendeten Schmiermittels erhalten bleiben.
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Offenbarung der Erfindung
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Durch das erfindungsgemäße Schraubrad beziehungsweise die Schnecke eines Schraubradgetriebes mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 8 ergibt sich der Vorteil, dass die Temperatur, die insbesondere im Kontaktbereich zwischen dem Zahnkranz des wenigstens teilweise aus Kunststoff gefertigten Schraubrads und der Schnecke entsteht, erheblich reduziert werden kann. Das wird dadurch erreicht, dass das Schraubrad beziehungsweise die Schnecke mit einer Struktur aus einem Material mit höherer thermischer Leitfähigkeit verbunden ist, die die entstehende Wärme weitgehend über ein Lager oder eine Welle an das Gehäuse nach außen abführt.
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Wegen der verbesserten Wärmeableitung (Entwärmung) wird die Betriebsfestigkeit des verwendeten Kunststoffs erhöht und damit in vorteilhafter Weise die Belastbarkeit des gesamten Schraubradgetriebes verbessert. Ein weiterer vorteilhafter Aspekt besteht auch darin, dass die entstandenen Vorteile für weitere Anwendungsfälle genutzt werden können. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Schraubradgetriebe mit einer höheren Belastung betrieben oder bei gleichbleibender Belastung in einer kleineren Bauform ausgebildet werden.
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Vorteilhaft ist weiterhin, dass durch die Temperaturabsenkung auch die Belastung des verwendeten Schmierstoffs reduziert wird und somit dessen Schmiereigenschaften unabhängig von der Temperatur langfristig erhalten bleiben.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen des in den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 8 angegebenen Schraubrads beziehungsweise der Schnecke gegeben. Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen, dass beim Schraubrad die Struktur mit der thermisch höheren Leitfähigkeit in Form einer Scheibe ausgebildet ist. Die Scheibe ist mit dem Zahnkranz des Schraubrads fest verbunden und dient gleichzeitig zur Fixierung und Zentrierung des Zahnkranzes auf einer Welle oder Lagers. Dadurch kann die entstehende Reibungswärme wirkungsvoll abgeleitet werden.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Struktur eine Scheibe aus Metall vorzugsweise aus Eisen, Kupfer, Aluminium gebildet ist. Diese Materialien weisen eine hohe thermische Leitfähigkeit auf, sind leicht zu bearbeiten und und vertragen höhere Betriebstemperaturen als Kunststoffe.
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Von Vorteil ist des weiteren, dass die Struktur mit dem Zahnkranz des Schraubrads einfach durch Umspritzen, Kleben, Anspritzen, Pressen oder Klemmen dauerhaft verbunden werden kann. Diese Verbindungen sind leicht herzustellen und weisen auch bei höheren Temperaturen gute mechanische Eigenschaften auf. Des weiteren ist eine gute thermische Ankopplung gewährleistet und damit eine wirksame Entwärmung des Schraubrads, insbesondere im Bereich des Zahnkranzes, erreichbar.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass an der Struktur wenigstens eine, in der Regel mehrere Laschen oder Prägungen ausgebildet sind, durch die ein ringförmig ausgebildeter Kunststoff-Zahnkranz zentriert und in seiner Lage dauerhaft fixiert werden kann. Diese Montageart ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar.
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Alternativ ist vorsehbar, dass an der Struktur an Stelle der wenigstens einen Lasche oder Prägung ein gut Wärme leitender Stützring oder Metallring auf der Struktur angeordnet ist, auf dem der Zahnkranz aufgesetzt wird. Dadurch kann zusätzlich über den Metallring die Wärme an die Struktur weitergeleitet werden, so dass die Temperaturabsenkung weiter begünstigt wird.
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Als weiterer Vorteil wird auch angesehen, dass die wenigstens eine Scheibe so weit radial vergrößert wird, dass die Zähne des Zahnkranzes auf einer beziehungsweise auf beiden Seitenflächen so weit abgedeckt sind, dass sich zwischen dem Zahnfuß und der einen beziehungsweise den beiden Scheiben ein Hohlraum ausbildet, der als Fettreservoir zur Schmierung des Zahnkranzes und der Schnecke nutzbar ist. Die Außenkanten der Scheiben sind dabei scharfkantig ausgebildet, um ein unerwünschtes Abfließen des Schmierstoffs zu verhindern.
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Bei der Schnecke ist vorgesehen, die Wärmeableitung dadurch zu verbessern, dass an ihrem nicht gelagerten Ende ein Zapfen ausgebildet ist, an dem als Wärmekontakt ein Wärmeleitblech wie Kupfer, Messing, Eisen oder dergleichen mit einer möglichst großen Kontaktfläche angeordnet ist. Das Wärmeleitblech ist mit dem Gehäuse des Schraubradgetriebes flächig verbunden, um die Wärme von der Schnecke besser abzuleiten.
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Alternativ ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Zapfen derart auszubilden, dass ein gut wärme leitendes Lager zur Aufnahme des Zapfens verwendbar ist. Beispielsweise sind Lager aus einem Sintermetall, Wälzlager (z. B. Kugellager) gut geeignet.
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Auf Grund der verbesserten Temperatureigenschaften ist vorgesehen, das Schraubradgetriebe beispielsweise als Wischerantrieb oder Stellantrieb in einem Kraftfahrzeug zu verwenden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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In den Figuren sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem an einem Schraubrad beidseitig jeweils eine Metallscheibe zur Wärmeableitung angeordnet ist.
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2 zeigt einen Ausschnitt des Schraubrads im Bereich des Zahnkranzes mit der Bildung eines Fettdepots.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem an einer gut Wärme leitenden Metallscheibe als Schraubrad ein Zahnkranz angeordnet ist, der aus einem Kunststoff gefertigt ist.
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4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Schraubrad zwei mit einem Abstand angeordnete Metallscheiben aufweist, zwischen die ein Zahnkranz angeordnet ist.
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5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Schraubrad eine Metallscheibe aufweist, an die ein Metallring als Tragring für den Kunststoff-Zahnkranz angeordnet ist.
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Die 6a und 6b zeigen zwei Schnittbilder mit zwei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei denen an einer Metallscheibe zwei Laschen diametral ausgestanzt und umgebogen sind, durch die ein Zahnkranz an der Metallscheibe fixiert ist.
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Die 7a und 7b zeigen in Seitenansicht und Frontansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das nicht gelagerte Ende einer Schnecke mit einem Wärmeleitblech kontaktiert ist.
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8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das freie Ende der Schnecke an einem gut Wärme leitenden Lager angeordnet ist und
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9 zeigt ein Diagramm, das den Einfluss der Temperatur auf die Festigkeit des Kunststoffs POM wiedergibt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Ziel der Erfindung ist es, eine Verbesserung der Wärmeableitung dadurch zu erreichen, dass beim Schraubrad und/oder der Schnecke eine Struktur aus einem Material mit höherer thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise eine Metallscheibe oder ein Wärmeleitblech möglichst nahe an der Wärmequelle, d. h. im Bereich des Zahnkranzes nahe am Zahnkontakt angeordnet ist. Wichtig ist eine gute Anbindung zwischen dem Wärme leitenden Material und dem Kunststoff, speziell in den Bereichen, in denen Wärme vom schlecht leitenden Kunststoff auf das gut leitende Metall übertragen werden soll. Des weiteren soll der Rundlauf des Schraubrads unterstützt werden. Weiterhin ist vorgesehen, an den Reibstellen der Zähne Fettdepots aufzubauen und durch scharfe Außenkanten der Metallscheiben Kriechbarrieren für das Schmiermittel zu integrieren. Die Wärme soll nach Möglichkeit über ein Lager oder eine Welle an das Gehäuse des Schraubradgetriebes übertragen und dann nach außen abgeleitet werden. Es ist daher vorgesehen, das gut Wärme leitende Material an den Seitenflächen oder unterhalb des Zahnkranzes anzubringen, wie später noch näher erläutert wird.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung zeigt 9 ein Diagramm mit sieben Temperaturkurven von –20°C (oberste Kurve) bis 120°C (unterste Kurve), aus denen die Abnahme der Zugverfestigung am Beispiel eines POM-Kunststoffs dargestellt ist. Dargestellt ist die Dehnung in % (X-Achse) in Abhängigkeit von der Zugspannung (Y-Achse). Die Kurven wurden vom Hersteller des POM-Kunststoffs für Temperaturen T = –20°C, 0°C, 23°C, 40°C, 60°C, 90°C und 120°C angegeben. POM schmilzt bereits bei 178°C. Eine Temperaturabsenkung von 5°C kann daher bei einem Niveau von 120°C bereits deutliche Festigkeitsunterschiede im Kunststoff bewirken.
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1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Schnittbild eines Schraubrads 1, an dessen Umfang ein Zahnkranz 2 angeordnet ist. Das Schraubrad 1 ist mit einer Struktur 3 verbunden, die an beiden Seitenflächen 8 des Schraubrads 1 angeordnet ist. Die Struktur 3 ist aus zwei gut Wärme leitenden Scheiben (Metallscheiben) 3 gebildet, die beispielsweise aus Eisen, Kupfer, Messing, Aluminium oder dergleichen bestehen. Es ist vorgesehen, dass eine oder beide Metallscheiben 3 mit einer metallischen Getriebewelle 5 zum Beispiel durch eine Schweiß- oder Pressverbindung 4 zentriert und fixiert sind.
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2 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ausschnittsweise ein Schraubradgetriebe 7 mit einem Schraubrad 1, wie es zuvor zu 1 beschrieben wurde. Oberhalb des Schraubrads 1 mit den beiden Metallscheiben 3 und dem Zahnkranz ist eine Schnecke 12 mit einer verborgenen Kontur eines Zahnes 10 dargestellt. Die beiden Metallscheiben 3 sind beiderseits des Zahnkranzes des Schraubrads 1 soweit herausgeführt, dass ein Zahnfuß 13 beidseitig abgedeckt ist und somit einen Hohlraum für ein Fettdepot 11 bildet. Alternativ ist auch eine einseitige Abdeckung vorsehbar, insbesondere bei nur in einer Drehrichtung betriebenen Getrieben.
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Wichtig ist dabei, dass die Außenkanten der Metallscheiben 3 scharfkantig ausgebildet sind, damit ein Austreten des Schmiermittels aus dem Fettdepot verhindert wird. Somit wird eine Kriechbarriere für das Schmiermittel erzeugt.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem nur eine Metallscheibe 3 mit der Getriebewelle 5 verbunden ist. An die Metallscheibe 3 ist ein Zahnradelement als Kunststoffring 20 mit einem Zahnkranz 2 angeordnet. Der Kunststoffring 20 ist seitlich an der Metallscheibe 3 befestigt, ähnlich wie in 1. Der Kunststoffring 20 kann angespritzt sein oder alternativ die Metallscheibe 3 umschließen, so dass die Metallscheibe 3 nur teilweise sichtbar ist. Aus Gewichtsgründen können auch Teile der Metallscheibe 3 ausgestanzt sein.
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4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Kunststoffring 20 zwischen zwei Metallscheiben 3 befestigt ist. Der Kunststoffring 20 ist beispielsweise einseitig mit einer der beiden Metallscheiben 3 fest verbunden und wird von der zweiten Metallscheibe 3 angepresst. Wenigstens eine Metallscheibe 3 ist wiederum mit der Getriebewelle 5 fest verbunden.
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5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Fall ist an eine Metallscheibe 3 ein radial tragender Metallring 30 beispielsweise durch eine Schweißnaht 31 befestigt. Der Metallring 30 bildet eine radiale Abstützung und Zentrierung für den Kunststoffring 20 mit seinem Zahnkranz 2. Der Kunststoffring 20 kann zum Beispiel durch Anspritzen, Kleben, Schrauben, Nieten oder dergleichen mit dem Metallring 30 befestigt sein. Durch eine Zentrierung des Metallrings 30 erhält der Zahnkranz 20 einen sicheren Halt und einen exakten Rundlauf.
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Die 6a und 6b zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es ist vorgesehen, an Stelle eines Metallrings einzelne Elemente, wenigstens eine radial angeordnete Lasche oder Prägung 40 aus der Metallscheibe 3 zu stanzen und als Auflage für den Kunststoffring 20 umzubiegen. Die 6a und 6b zeigen jeweils zwei diametral angeordnete Laschen 40. Die Laschen 40 dienen als Unterstützung für die Fixierung des Kunststoffrings 20 mit dem Zahnkranz 2. Die Metallscheibe 3 ist wiederum mit der Getriebewelle 5 fest verbunden.
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In 6a wurde die Lasche 40 aus radialer Sicht nach Innen gebogen und in 6b wurde die Lasche 40 nach außen umgebogen und umklammert den Kunststoffring 20. Position 41 zeigt das jeweilige Stanzloch.
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Die 7a und 7b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Wärmeableitung über eine Schnecke 50 verbessert ist. 7a zeigt einen Längsschnitt der Schnecke 50. Das linke Ende der Schnecke 50 ist nicht gelagert und weist einen Zapfen 61 auf. An diesem Zapfen 61 ist ein Wärmeleitblech 51, beispielsweise ein Kupferblech mit einem guten Wärmekontakt und mit einer möglichst großen Kontaktfläche angeordnet, wobei das Wärmeleitblech 51 federnd gegen die Schnecke 50 gedrückt wird. Das Wärmeleitblech 51 ist des weiteren mit einem gut Wärme leitenden Gehäuse 53 flächig verbunden. Die reibende Kontaktstelle an der Schnecke 50 wird vorzugsweise geschmiert.
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7b zeigt eine Frontansicht von der zu 7a beschriebenen Schnecke 50. Erkennbar ist, wie der Zapfen 61 vom Wärmeleitblech 51 möglichst großflächig umschlossen ist, um einen guten Wärmekontakt zu bilden. Ein zweites Ende des Wärmeleitblechs 51 ist mit dem Gehäuse 53 flächig verbunden.
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8 zeigt von der Schnecke 50 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. An Stelle des Wärmeleitblechs ist als Struktur ein gut Wärme leitendes Lager 60 an einem Zapfen 61 der Schnecke 50 angeordnet. Das Lager 60 ist beispielsweise als Sinter-Metalllager, als Wälzlager (z. B. als Kugellager) ausgebildet und wird vom Gehäuse 53 getragen.
