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Die Erfindung betrifft ein Zahnrad mit Außenteil, Innenteil und Verbindungsteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Gattungsgemäße Zahnräder aus einem Verbund eines zahnkranzseitigen Außenteils, eines nabenseitigen Innenteils und eines radial zwischen Innenteil und Außenteil eingegossenen Verbindungsteils für die drehstarre Verbindung zwischen Außenteil und Innenteil sind aus dem Stand der Technik bekannt. So zeigt die
EP 1 777 439 B1 ein Zahnrad, bei dem ein den Zahnkranz tragendes Außenteil und ein die Zahnradnabe bildendes Einlageteil mittels eines eingegossenen Verbindungsteils miteinander verbunden werden.
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Bei diesem bekannten Stand der Technik muss das Außenteil mit dem Zahnkranz jedoch vorab separat gefertigt werden, und kann erst nach Fertigstellung – mittels des gegossenen Verbindungsteils – mit der Nabe bzw. mit dem Einlageteil verbunden werden, womit entsprechender Herstellungsaufwand und entsprechend lange Zykluszeiten bei der Fertigung verbunden sind. Zudem ergibt sich beim Eingießen des Verbindungsteils zwischen Zahnradnabe und Zahnkranz, welches unter Druck mittels Spritzguss erfolgt, eine Kraftbelastung, welche nach dem Erkalten des Verbindungsteils teilweise erhalten bleibt.
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Hierdurch werden unerwünschte Eigenspannungen in dem Zahnrad, darunter auch Zugspannungen in Umfangsrichtung im Außenteil bzw. im Zahnkranz erzeugt, welche Dauerfestigkeit und Maßhaltigkeit, und damit Zuverlässigkeit des Zahnrads nachteilig beeinflussen können. Auch ist mit dem Stand der Technik – insbesondere aufgrund der Notwendigkeit zur vorab separaten Fertigung des Außenteils mit dem Zahnkranz – ein vergleichsweise hoher Materialverbrauch verbunden, da das Außenteil aus Gründen der Fertigung eine vergleichsweise große Wandstärke benötigt. Dies wiederum verursacht nicht unerhebliche Kosten, da zur Fertigung des Zahnkranzes üblicherweise besonders hochwertige Werkstoffe erforderlich sind.
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Mit diesem Hintergrund ist es somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zahnrad mit Außenteil, Innenteil und Verbindungsteil zu schaffen, mit dem sich die genannten, im Stand der Technik vorhandenen Nachteile oder Einschränkungen überwinden, und gleichzeitig die dargelegten Anforderungen erfüllen lassen. Das Zahnrad soll dabei jeweils mit einem Minimum an Kosten, Zykluszeit bei der Fertigung sowie Materialverbrauch dargestellt werden können und gleichzeitig eine hohe Maßhaltigkeit, Zuverlässigkeit im Betrieb sowie hohe Festigkeit aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Zahnrad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In für sich genommen zunächst bekannter Weise umfasst das Zahnrad gemäß der vorliegenden Erfindung ein zahnkranzseitiges Außenteil, ein nabenseitiges Innenteil zur Verbindung des Zahnrads beispielsweise mit einer Welle sowie ein radial zwischen Innenteil und Außenteil eingegossenes Verbindungsteil, wobei das Verbindungsteil das Außenteil und das Innenteil durch Stoffschluss und/oder Formschluss miteinander verbindet.
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Der Begriff ”zahnkranzseitiges Außenteil” ist im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass das Außenteil den Zahnkranz des Zahnrads trägt und/oder einstückig umfasst, während der Begriff ”nabenseitiges Innenteil” so zu verstehen ist, dass das Innenteil die Nabe des Zahnrads trägt und/oder einstückig umfasst.
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Das Zahnrad zeichnet sich dadurch aus, dass das Außenteil eine das Verbindungsteil einschließende Oberflächenschicht umfasst. Dies wird dadurch erreicht, dass das Außenteil zusammen mit dem Verbindungsteil mittels Koinjektion erzeugt ist.
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Die Koinjektion von Außenteil und Verbindungsteil des Zahnrads führt dabei dazu, dass das Material des Außenteils das Material des Verbindungsteils zwischen Außenteil und Innenteil im Wesentlichen (bis auf den Angussbereich) allseitig umschließt. Bei der Koinjektion erfolgt hierzu nahezu gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander die Injektion der schmelzflüssigen Materialien des Zahnrad-Außenteils und des Zahnrad-Verbindungsteils durch denselben Anguss des Spritzgusswerkzeugs.
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Auf diese Weise ergibt sich zunächst einmal eine besonders innige (üblicherweise stoffschlüssige) Verbindung von Außenteil und Verbindungsteil, da die Materialien von Außenteil und Verbindungsteil bei der Koinjektion im Wesentlichen gleichzeitig schmelzflüssig in das beiden Teilen gemeinsame Werkzeug eingespritzt werden. Außenteil und Verbindungsteil werden auf diese Weise unlösbar fest miteinander verbunden, auch ohne dass hierzu eigens besondere Maßnahmen ergriffen werden müssten, beispielsweise die Anordnung einer Verzahnungsstruktur am Innenumfang des Außenteils, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist.
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Ferner weist das Zahnrad nach der Entformung geringere Restspannungen bzw. Eigenspannungen auf, insbesondere da die Materialien von Außenteil und Verbindungsteil nach der Koinjektion gleichmäßig und gemeinsam erkalten können, und da die Spannungen im Bauteil durch entsprechende Führung der Einspritzdrücke bei der Koinjektion besonders gut kontrolliert und gesteuert werden können. Auch ergeben sich durch die gleichzeitige Formgebung sowohl des Außenteils als auch des Verbindungsteils sowie aufgrund der ebenfalls gleichzeitig hergestellten Verbindung mit dem Innenteil im Vergleich zum Stand der Technik verkürzte Zykluszeiten und damit verringerte Herstellungskosten bzw. ein erhöhter Teileausstoß.
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Ferner kann die Wandstärke des den Zahnkranz tragenden Außenteils – aufgrund dessen inniger und näherungsweise einstückiger Verbindung mit dem Verbindungsteil, und aufgrund dessen Abstützung durch das Verbindungsteil – im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert werden, wodurch weniger des üblicherweise relativ teuren Materials des Außenteils benötigt wird. Überdies ergibt sich durch die Koinjektion sowie durch die verringerte Wandstärke des Außenteils eine besonders gute und exakte Abbildung der Geometrie des Außenteils, insbesondere im Fall einer in das Außenteil einzuformenden Verzahnungsgeometrie. Nicht zuletzt führt die mit der Erfindung ermöglichte geringere Wandstärke bzw. der geringere Materialanteil der Komponente des Außenteils zu einer geringeren Schwindung der Geometrie des Außenteils, gerade im Hinblick auf eine dort ggf. eingeformte Verzahnungsgeometrie, was sich ebenfalls positiv auf die Maßhaltigkeit und damit Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Zahnrads auswirkt.
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Überdies bildet die das Verbindungsteil allseitig einschließende Oberflächenschicht, die sich aufgrund der Koinjektion durch das Material des Außenteils ergibt, eine – aufgrund des üblicherweise hochwertigen Materials des Außenteils – effektive Schutzfunktion für das innenliegend geschützt angeordnete Material des Verbindungsteils.
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Mit diesem Hintergrund sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung daher vor, dass das Verbindungsteil aus einem – im Vergleich zum Außenteil – geringwertigeren Werkstoff oder aus einem Recyclingwerkstoff besteht. Hierbei ergibt sich durch das Material des Außenteils (welches das Verbindungsteil nahezu allseitig einschließt und überzieht) ein Schutz des Materials des Verbindungsteils beispielsweise gegenüber den Angriffen korrosiver Medien oder bezüglich UV-Licht. Dank dieser Ausführungsform der Erfindung können somit – praktisch ohne Nachteile – besonders kostengünstige Werkstoffe, beispielsweise recycelte Werkstoffe (im Sinne von Werkstoffen, die Verunreinigungen bzw. Alterungswirkungen durch vorherigen Einsatz aufweisen) oder Werkstoffmischungen (im Sinne von Werkstoffen, die nicht stoffrein bezüglich des Werkstofftyps sind, so beispielsweise mit Polyolefinen oder anderen Zusätzen wie Farbstoffen verunreinigte Polyamide), für das Verbindungsteil verwendet werden.
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Die Erfindung wird weiterhin zunächst einmal unabhängig davon verwirklicht, wie die Verzahnungsgeometrie bzw. der Zahnkranz, oder wie die Nabe des Zahnrads konstruktiv ausgebildet ist, sofern das Außenteil das Verbindungsteil – aufgrund der Koinjektion – einschließt bzw. umgibt. Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung jedoch trägt das Außenteil einstückig einen Zahnkranz des Zahnrads, bzw. bildet das Innenteil einstückig gleichzeitig die Nabe des Zahnrads. Auf diese Weise lässt sich das Zahnrad mit einem Minimum an Teile- und Herstellungsaufwand darstellen.
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Vorzugsweise ist dabei das Innenteil eine Nabe aus Metall, welches an seinem Außenumfang bevorzugt eine Verzahnungsstruktur aufweist. Auf diese Weise erhält der besonders hochbelastete Nabenbereich des Zahnrads die erforderliche Festigkeit, bzw. ergibt sich eine besonders feste, formschlüssige Verbindung zwischen Innenteil (Nabe) einerseits und der Einheit aus Verbindungsteil und Außenteil andererseits.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Außenteil und/oder Verbindungsteil durch (vorzugsweise thermoplastischen) Kunststoff gebildet. Hiermit ergibt sich eine kostengünstige Darstellung des Zahnrads, wobei das Material des Außenteils insbesondere im Hinblick auf die Verzahnungseigenschaften optimiert werden kann.
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Im Hinblick auf die Anforderungen der Verzahnung besteht das Außenteil vorzugsweise aus einem Polyamidwerkstoff, welcher die Vorteile hoher Härte und hoher Abriebfestigkeit miteinander verbindet. Aufgrund der mit der Erfindung ermöglichten geringeren Wandstärke des Außenteils und des damit verbundenen geringeren Materialverbrauchs (für das Außenteil) lässt sich das Zahnrad – auch bei Verwendung eines hochwertigen Polyamidwerkstoffs für das Außenteil – dennoch kostengünstig darstellen. Bevorzugt ist das Verbindungsteil dabei aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet, wodurch sich eine vorteilhaft hohe Steifigkeit und Belastbarkeit nahezu des gesamten Zahnradkörpers ergibt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1: ein Zahnrad gemäß der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht;
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2: das Zahnrad gemäß 1 in einer Schnittdarstellung gemäß dem Schnittverlauf A-A in 1; und
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3: eine schematische Schnittdarstellung des Koinjektionsvorgangs beim Zweikomponenten-Spritzgießen.
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Gemäß der Figuren wird – insbesondere anhand der Schnittdarstellung von 2 sowie anhand der Schemadarstellung der Koinjektion beim Zweikomponenten-Spritzguss in 3 – erkennbar, dass das Material 1' des Außenteils 1 das Material 2' des Verbindungsteils 2 zwischen Außenteil 1 und Innenteil bzw. Nabe 3 nahezu allseitig umschließt. Dies ergibt sich durch die Fertigung des Zahnrads mittels nahezu gleichzeitig stattfindender Koinjektion der schmelzflüssigen Materialien 1' und 2' von Außenteil 1 und Verbindungsteil 2, wie dies – lediglich höchst schematisch – in 3 anhand einer beispielhaften Schemadarstellung der Koinjektion dargestellt ist.
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Insbesondere in 3 wird erkennbar, dass bei der Koinjektion zunächst das am erzeugten Formteil später außenliegende Material 1' in die Spritzgussform 5 eingespritzt wird, und anschließend (durch denselben Anguss 6, bei einem Zahnrad im Unterschied zur Darstellung in 3 vorzugsweise in Form eines rotationssymmetrischen Schirmangusses) das am erzeugten Formteil innenliegende Material 2'. Aufgrund der dann bereits eingesetzten, teilweisen Erstarrung des zuerst eingespritzten, äußeren Materials 1' an der (relativ zur Schmelze) kalten Formwandung 5 fließt das anschließend eingespritzte Material 2' grundsätzlich durch das Innere (die noch schmelzflüssigen Seele) des zuvor eingespritzten Materials 1', und verdrängt letzteres somit in Richtung auf die Oberfläche der Formkavität 5. Das zuletzt eingespritzte Material 2' formt bei seinem Einspritzvorgang somit – vgl. auch 2 – eine Füllung für die durch das zuerst eingespritzten Material 1' gebildete oberflächliche Hülle aus.
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Auf diese Weise ergibt sich nach der Koinjektion das Bild gemäß 2, bei dem das zuerst eingespritzte Material des Außenteils 1 an die Wandung der (hier nicht dargestellten) Spritzgussform 5 verdrängt wurde, während das Innere des Zahnradkörpers durch das zuletzt eingespritzte Material des Verbindungsteils 2 gebildet wird. Im Unterschied zu der Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 2 kann die durch das Außenteil 1 gebildete oberflächliche Materialschicht auf dem Verbindungsteil 2 dabei insbesondere auch den Kontaktbereich zwischen Verbindungsteil 2 und Innenteil bzw. Nabe 3 umfassen.
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Da beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Formkavität ein Abbild der Verzahnung 4 des Zahnrads aufweist, erhält das Zahnrad bereits beim Spritzguss die weitestgehend einbaufertige Verzahnung 4. Das Außenteil 1 mit der Verzahnung 4 ist dabei dank der Erfindung einerseits besonders maßhaltig, und weist andererseits besonders geringe Eigenspannungen auf. Diese vorteilhaften Eigenschaften hängen mit der durch die Erfindung ermöglichten, vergleichweise geringen Wandstärke insbesondere im Bereich der Verzahnung 4, sowie mit der durch die Koinjektion gegebenen, praktisch gleichzeitigen Erstarrung der Materialien von Außenteil 1 und Verbindungsteil 2 zusammen.
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In den Figuren, insbesondere in 2, ist auch die Nabe 3 des Zahnrads erkennbar, welche hier als metallisches Innenteil 3 ausgebildet ist. Beim Spritzguss des Zahnrads mittels Koinjektion wird die metallische Nabe 3 somit durch die Werkstoffe von Verbindungsteil 2 und Außenteil 1 eingeschlossen. Die dabei entstehende Verbindung lässt sich besonders fest gestalten, indem das Innenteil bzw. die Nabe 3 im Bereich seines Außenumfangs mit einer Verzahnungsstruktur ausgeführt wird, wodurch sich ein unlösbarer Formschluss zwischen den Werkstoffen von Verbindungsteil 2 bzw. Außenteil 1 einerseits und Innenteil 3 andererseits ergibt.
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Im Ergebnis wird somit deutlich, dass ein Zahnrad mit Außenteil, Innenteil und Verbindungsteil geschaffen wird, das mit vergleichsweise geringen Kosten, mit geringem Materialaufwand und kurzen Zykluszeiten gefertigt werden kann, und das – insbesondere aufgrund der erreichten geringen Eigenspannungen und gleichmäßigeren Wandstärkeverläufe – gleichzeitig eine hohe Maßhaltigkeit und hohe Festigkeit aufweist. Dank des nahezu allseitigen Einschlusses des Materials des Verbindungsteils durch das Material des Außenteils ergibt sich zudem eine Schutzfunktion für das Verbindungsteil, weshalb für das Verbindungsteil auch vergleichsweise geringwertige Materialien, Materialmischungen oder Rezyklate problemlos verwendet werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnrad-Außenteil
- 2
- Verbindungsteil
- 3
- Einlegeteil, Zahnradnabe
- 4
- Verzahnung
- 5
- Spritzgussform
- 6
- Anguss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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