-
Die Erfindung betrifft allgemein ein gezahntes Bauteil. Insbesondere betrifft die Erfindung ein gezahntes Bauteil, das mit Biegeabschnitten und Zentrierstrukturen ausgestaltet ist.
-
Das
US-Patent 5,870,928 zeigt ein gezahntes Bauteil für einen Nockenwellenantrieb. Das Bauteil weist zwei Zahnräder mit gleichem Außenumriss auf, die parallel nebeneinander an einer gemeinsamen Achse angeordnet sind. Die Zahnräder sind gegeneinander verdrehbar und durch in Umfangsrichtung verlaufende Schraubenfedern, die sich mit einem ersten Ende an einem und mit einem zweiten Ende an dem anderen Zahnrad abstützen, vorgespannt. Diese Konstruktion ist jedoch relativ aufwendig.
-
Aufgabe eines ersten Aspekts der Erfindung ist es, eine kostengünstige Konstruktion eines gezahnten Bauteils vorzuschlagen, das beispielsweise als vorgespanntes Zahnradbauteil einsetzbar ist. Aufgabe eines zweiten Aspekts der Erfindung ist es, die für die gewünschte Verspannung erforderliche Dimensionierung der Biegestrukturen unabhängig vom Abstützbedarf des gezahnten Bauteils vorzunehmen.
-
Die Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche definiert. Die abhängigen Ansprüche betreffen optionale Merkmale einiger Ausgestaltungen der Erfindung.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein gezahntes Bauteil mit einem ersten und einem zweiten Zahnrad vorgesehen. Das erste Zahnrad weist einen ersten Nabenabschnitt und einen ersten Zahnabschnitt mit einer Vielzahl von Zähnen auf, und das zweite Zahnrad weist einen zweiten Zahnabschnitt mit einer Vielzahl von Zähnen und mehrere Biegeabschnitte auf, die einstückig mit dem zweiten Zahnabschnitt verbunden sind. Das gezahnte Bauteil weist Zentrierstrukturen auf, die dazu eingerichtet sind, das zweite Zahnrad zu halten, dass eine Mittelachse des ersten Zahnrads mit einer Mittelachse des zweiten Zahnrads fluchtet. Die Zähne des zweiten Zahnabschnitts sind in einer unbelasteten Stellung gegenüber den Zähnen des ersten Zahnabschnitts versetzt, und der zweite Zahnabschnitt ist dazu eingerichtet, bei Belastung eine Relativbewegung gegenüber dem ersten Zahnabschnitt durch Biegung der Biegeabschnitte auszuführen, bis die Zähne des zweiten Zahnabschnitts zumindest an einem an den ersten Zahnabschnitt angrenzenden Bereich mit den Zähnen des ersten Zahnabschnitts fluchten.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten schematischen Zeichnungen mehrerer Ausführungsbeispiele. In den Zeichnungen zeigen:
-
1a eine perspektivische auseinandergezogene Darstellung eines gezahnten Bauteils mit einem ersten Zahnrad und einem zweiten Zahnrad nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
-
1b eine Draufsicht auf das erste Zahnrad von 1a,
-
1c eine Seitenansicht des ersten Zahnrads von 1a,
-
1d eine Draufsicht auf das zweite Zahnrad von 1a,
-
1e eine Seitenansicht des zweiten Zahnrads von 1a,
-
2a eine perspektivische Darstellung eines gezahnten Bauteils mit einem ersten Zahnrad und einem zweiten Zahnrad in entspannter Lage nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
-
2b eine Draufsicht auf das gezahnte Bauteil von 2a,
-
2c eine Seitenansicht des gezahnten Bauteils von 2a,
-
3a eine perspektivische Darstellung eines gezahnten Bauteils mit einem ersten Zahnrad und einem zweiten Zahnrad in gespannter Lage nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
-
3b eine Draufsicht auf das gezahnte Bauteil von 3a,
-
3c eine Seitenansicht des gezahnten Bauteils von 3a,
-
4a–4e Darstellungen wie in 1a–1e nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
-
5a–5e Darstellungen wie in 1a–1e nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
-
6a–6e Darstellungen wie in 1a–1e nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
-
7a–7c Darstellungen wie in 3a–3c nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
-
8a eine perspektivische auseinandergezogene Darstellung eines gezahnten Bauteils mit einem ersten Zahnrad und einem zweiten Zahnrad nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
-
8b eine Draufsicht auf das erste Zahnrad von 8a, und
-
8c eine Draufsicht auf das zweite Zahnrad von 8c.
-
Ausführungsbeispiele zu dem gezahnten Bauteil sind in den 1a–8c gezeigt. Diese Ausführungsformen betreffen je ein gezahntes Bauteil 50, das als vorspannbares – bzw. in eingebautem Zustand vorgespanntes – Zahnradbauteil ausgestaltet ist. Ein derartiges gezahntes Bauteil 50 kann beispielsweise im Automobilsektor für den Nockenwellenantrieb oder den Antrieb einer Ausgleichswelle eingesetzt werden, um die Laufruhe zu verbessern.
-
Das gezahnte Bauteil 50 weist ein erstes Zahnrad 52 und ein zweites Zahnrad 54 auf. Das erste Zahnrad 52 ist als in sich starres Bauteil mit einem ersten Nabenabschnitt 56 und einem ersten, äußeren Zahnabschnitt 58 ausgestaltet, wobei der erste Nabenabschnitt 56 und der erste Zahnabschnitt 58 einstückig ausgebildet sind. Das zweite Zahnrad 54 weist einen zweiten, äußeren Zahnabschnitt 62 auf. Die beiden Zahnabschnitte 58, 62 weisen in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen im Querschnitt einen völlig identischen Außenumriss auf, so dass sich die Zähne der beiden Zahnabschnitte 58, 62 bei geeigneter Winkelposition der Zahnräder 52, 54 genau in Deckung bringen lassen. In Ausführungsalternativen, bei denen z. B. eine Schrägverzahnung vorgesehen ist, lassen sich die Zahnabschnitte 58, 62 zumindest an ihren einander zugewandten Seiten miteinander in Deckung bringen.
-
In den Ausführungsbeispielen gemäß 1a–5e sowie 8a–8c weist das zweite Zahnrad 54 ferner einen zweiten Nabenabschnitt 60 auf, der radial innerhalb des zweiten Zahnabschnitts 62 angeordnet ist.
-
In den Ausführungsbeispielen gemäß 1a–5e sowie 8a–8c weist das zweite Zahnrad 54 ferner Zentrierstrukturen auf, die als Speichen 88.1, 88.2, 88.3, 88.4 ausgeführt sind, die sich zwischen dem zweiten Nabenabschnitt 60 und dem zweiten Zahnabschnitt 62 erstrecken. In manchen Ausführungsformen sind die Speichen 88.1, 88.2, 88.3, 88.4 sowohl mit dem zweiten Nabenabschnitt 60 als auch mit dem zweiten Zahnabschnitt 62 einstückig verbunden. Es sind mehrere – beispielsweise je drei oder je vier oder je fünf oder jede andere Anzahl – Speichen 88.1, 88.2, 88.3, 88.4 vorgesehen. Diese Speichen werden im folgenden zusammenfassend mit dem Bezugszeichen 88.x bezeichnet.
-
In den Ausführungsbeispielen gemäß 6a–7c weist das zweite Zahnrad 54 ferner Zentrierstrukturen auf, die als Erhebungen 90.1, 90.2, 90.3 ausgeführt sind, die auf dem ersten Zahnrad 52 in Richtung des zweiten Zahnrades 54 angebracht sind. In manchen Ausführungsformen sind die Erhebungen 90.1, 90.2, 90.3 mit dem ersten Zahnrad 52 einstückig verbunden. Es sind mehrere – beispielsweise je drei oder je vier oder je fünf oder jede andere Anzahl – Erhebungen 90.1, 90.2, 90.3 vorgesehen. Diese Erhebungen werden im folgenden zusammenfassend mit dem Bezugszeichen 90.x bezeichnet. In manchen Ausführungsformen stützt sich das zweite Zahnrad 54 mit seinem zweiten Zahnabschnitt 62 auf den Erhebungen 90.x ab. In anderen Ausführungsformen – wie in 6a–7c gezeigt – weist der zweite Zahnabschnitt radial nach innen gerichtete Vorsprünge 92.x auf, die jeweils an einer zugeordneten Erhebung aufliegen. Das ist besonders vorteilhaft, da die Auslenkung an einer inneren Position geringer ausfallen als an äußeren Positionen.
-
In den Ausführungsbeispielen gemäß 8a–8c weist das erste Zahnrad 52 ferner Zentrierstrukturen auf, die als Schulter 96 um den ersten Nabenabschnitt 56 ausgeführt ist. In manchen Ausführungsformen ist die Schulter 96 mit dem ersten Zahnrad 52 einstückig verbunden. Das zweite Zahnrad 54 stützt sich mit seinem ersten Nabenschnitt 60 auf der Schulter 96 ab.
-
Bei dem zweiten Zahnrad 54 sind mehrere – beispielsweise je drei oder je vier oder je fünf oder jede andere Anzahl – Biegeabschnitte 64.1, 64.2, 64.3, 64.4 vorgesehen. Diese Biegeabschnitte werden im folgenden zusammenfassend mit dem Bezugszeichen 64.x bezeichnet. Die Biegeabschnitte 64.x sind an einem Ende mit dem zweiten Zahnabschnitt 62 verbunden, während sie über ein Endstück 82.x am zweiten Ende fest und starr mit dem ersten Zahnrad 52 verbunden ist. In manchen Ausführungsformen sind die Biegeabschnitte 64.x einstückig mit dem zweiten Zahnabschnitt 62 verbunden.
-
Die Biegeabschnitte 64.x können gerade, gebogen, gewellt, gekrümmt, insbesondere U-förmig oder kreisbogenförmig, oder in sonstiger Weise geformt sein.
-
Die Verbindung des Endstücks 82.x mit dem ersten Zahnrad 52 kann beispielsweise eine Schraub- oder Niet- oder Schweiß- oder Klebeverbindung oder eine formschlüssige Verbindung oder eine Verbindung durch Presssitz sein; in den vorliegenden Ausführungsformen wird vorzugsweise eine Schweißverbindung oder Vernietung angewandt. Allgemein kann die Verbindung starr und/oder fest und/oder unlösbar und/oder drehfest und/oder kraftschlüssig sein. So sind beispielsweise in 1a–1e Schweißverbindungen vorgesehen, bei denen die Endstücke 82.x der Biegeabschnitte 64.x Buckel für die Schweißung angebracht sind. In den Ausgestaltungen nach 2a–7c weisen die Endstücke stiftförmige Ansätze auf, die in Befestigungslöcher 72.x im ersten Zahnrad 52 eingepresst werden. Alternativ sind in 2a–7c Nietverbindungen vorgesehen, bei denen die Endstücke 82.x der Biegeabschnitte 64.x ringförmig und die Befestigungslöcher 72.x des ersten Zahnrads 52 als Nietansätze ausgestaltet sind, wobei die Endstücke die Nietansätze umschließen.
-
Es wird nun zunächst das Ausführungsbeispiel von 1a–1e genauer beschrieben. Das zweite Zahnrad 54 ist an vier Endstücken 88.x mit vier korrespondierenden Punkten des ersten Zahnrades 52 über eine Schweißverbindung verbunden. Allerdings sind die beiden Zahnräder 52, 54 in einer derartigen Winkelposition zueinander ausgerichtet, dass im unbelasteten Zustand die Zähne des zweiten Zahnabschnitts 62 des zweiten Zahnrades 54 geringfügig gegen die Zähne des ersten Zahnabschnitts 58 des ersten Zahnrades 52 versetzt sind. Bei Belastung des zweiten Zahnrades 54 in Umfangsrichtung verbiegen sich die Biegeabschnitte 64.x in Umfangsrichtung, so dass die Zähne des zweiten Zahnabschnitts 62 in eine Position geraten, in der sie völlig deckungsgleich mit den Zähnen des ersten Zahnabschnitts 58 sind.
-
Wenn das aus den Zahnrädern 52 und 54 zusammengesetzte Bauteil 50 in Eingriff mit einem weiteren Zahnrad (nicht gezeigt) montiert wird, greift das Bauteil 50 mit Vorspannung in das weitere Zahnrad ein. Auf diese Weise ergibt sich ein ruhiges und materialschonendes Anlaufen sowie eine geringere Geräuschentwicklung während des Betriebs. Das Bauteil 50 kann beispielsweise für Zahnantriebe für Nockenwellen verwendet werden, bei denen eine möglichst geringe Geräuschentwicklung verlangt wird. Ferner sind eine Vielzahl von weiteren Anwendungsgebieten sowohl bei Kraftfahrzeugen als auch bei anderen technischen Geräten vorgesehen.
-
Allgemein kann die Stärke der Vorspannung durch die Anzahl der Biegeabschnitte 64.x sowie durch deren Dimensionierung eingestellt werden. Nachdem die Abstützung des zweiten Zahnrads 54 unabhängig von den Biegeabschnitten 64.x durch Zentrierstrukturen erfolgt, kann die Dimensionierung der Biegeabschnitte 64.x unabhängig vom Abstützbedarf des zweiten Zahnrades 54 erfolgen. Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von Biegeabschnitten 64.x eingeschränkt.
-
Bei einem gewünschten Auslenkwinkel von 1,5° zwischen den Zähnen des ersten und des zweiten Zahnabschnittes
58,
62 und einer Vorspannkraft von ungefähr 10 Nm ergeben sich folgende Dimensionen für die Biegeabschnitte
64.x (Biegeelemente):
| Biegeelementhohe in mm | Biegeelementbreite in mm | Biegeelementlänge in mm | Durchmesser Verspannrad in mm | Auslenkwinkel in Grad | Anzahl benötigter Biegeelemente |
| 3 | 2,80 | 70 | 80 | 1,5916 | 5 |
| 3 | 3,00 | 78 | 100 | 1,4755 | 5 |
| 3 | 3,35 | 90 | 120 | 1,4660 | 4 |
| 3 | 4,00 | 110 | 150 | 14673 | 4 |
| 3 | 4,30 | 130 | 200 | 1,4298 | 4 |
-
Um die Zugbelastung der Biegeabschnitte 64.x zu verringern, ist in manchen Ausgestaltungen vorgesehen, diese Biegeabschnitte 64.x wellenförmig – wie in 4a–4c gezeigt – auszugestalten. Es versteht sich, dass alle hier gezeigten Ausgestaltungen der Biegeabschnitte 64.x mit allen Ausgestaltungen kombiniert werden können.
-
Die weiteren in 1a–8c gezeigten Löcher 74.x und 76.x – nahe an den Zahnabschnitten 58 und 62 – dienen zur Vorspannung des Bauteils 50 bei der Montage. Hierzu werden die Zahnräder 52, 54 in eine Position gedreht, so dass die Zähne und auch die Montage-Hilfslöcher 74.x und 76.x fluchten. Ein Montagestift wird dann in eines der Montage-Hilfslöcher 74.x und 76.x eingeschoben, um die vorgespannte Position zu fixieren. Nach der Montage wird der Stift wieder entfernt. Aus Symmetriegründen und zur Vermeidung von Unwuchten sind in 2a–7c sind drei Paare von Montage-Hilfslöchern 74.x und 76.x vorgesehen. Es versteht sich, dass alle hier beschriebenen Ausgestaltungen mit einem Paar oder mehreren Paaren von Montage-Hilfslöchern 74.x und 76.x kombiniert werden können, wie dies beispielhaft in 1a–1e sowie 8a–8c mit je einem Paar von Montage-Hilfslöchern 74.1 und 76.1 gezeigt ist.
-
In den Ausführungsformen gemäß 1a–3c sowie 5a–8c ist das zweite Zahnrad 54 im wesentlichen flach ausgestaltet, wie dies insbesondere aus den Seitenansichten von 1e, 2c, 3c, 5e, 6e und 7c ersichtlich ist. Mit anderen Worten befinden sich die Biegeabschnitte 64.x in der Seitenansicht innerhalb der Zahnradebene, dass heißt in jenem Raumbereich, der außen durch den zweiten Zahnabschnitt 62 begrenzt ist. Es sind jedoch auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen die Biegeabschnitte 64.x dreidimensional aus der Zahnradebene herausgebogen sind und in eine entsprechende Aussparung 80 im ersten Zahnrad 52 hineinragen. Derartige Ausführungsformen sind in 4a–4e gezeigt. Diese Ausgestaltungen können größen-, bauraum- oder gewichtsoptimiert sein. insbesondere kann das erste Zahnrad 52 leichter und mit weniger Material ausgestaltet sein.
-
In den Ausführungsformen gemäß 1a–3c sowie 5a–5e und 8a–8c befinden sich die Speichen 88.x in der Seitenansicht innerhalb der Zahnradebene, dass heißt in jenem Raumbereich, der außen durch den zweiten Zahnabschnitt 62 begrenzt ist. Es sind jedoch auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen die Speichen 88.x dreidimensional aus der Zahnradebene herausgebogen sind und in eine entsprechende Aussparung 80 im ersten Zahnrad 52 hineinragen. Derartige Ausführungsformen sind in 4a–4e gezeigt.
-
In 6a–7c sind Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen das zweite Zahnrad 54 keinen Nabenabschnitt aufweist.
-
Die Verbindungsstellen zwischen den Endstücken 82.x der Biegeabschnitte 64.x und dem ersten Zahnrad 52 befinden sich radial relativ weit außen am ersten Zahnrad 52 in der Nähe des ersten Zahnabschnitts 58. Beispielsweise kann die Verbindungsstelle in der radial äußeren Hälfte oder im radial äußeren Viertel des ersten Zahnrads 52 gelegen sein. Die Biegeabschnitte 64.x verlaufen dann in der Draufsicht gekrümmt, so dass sich das Endstück 82.x jedes Biegeabschnitts 64.x ungefähr in der Nähe der einstückigen Verbindung des anderen Endes dieses Biegeabschnitts 64.x mit dem zweiten Zahnabschnitt 62 befindet. Beispielsweise kann die Distanz zwischen dem Endstück 82.x jedes Biegeabschnitts 64.x zum Ort der einstöckigen Verbindung weniger als 50% oder weniger als 30% des Radius des zweiten Zahnrades 54 betragen.
-
In manchen Ausführungsformen ist die Biegung der Biegeabschnitte 64.x eine sich über mindestens 50% oder mindestens 75% oder im wesentlichen die gesamte Länge der Biegeabschnitte 64.x erstreckende Biegung.
-
In manchen Ausführungsformen ist die Biegung der Biegeabschnitte 64.x eine elastische Biegung innerhalb einer durch das Material der Biegeabschnitte erlaubten Elastizitätsgrenze.
-
Die Krümmung der Biegeabschnitte 64.x kann in der Draufsicht beispielsweise U-förmig oder kreisbogenförmig verlaufen. Zusätzlich kann eine Krümmung in axialer Richtung aus der Zahnradebene hinaus vorgesehen sein.
-
Durch die relativ lange Ausgestaltung der Biegeabschnitte 64.x wird die Biegebeanspruchung des Materials verringert.
-
Die in der obigen Beschreibung genannten und in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten sollen nicht als Einschränkung des Erfindungsbereichs, sondern als Beispiele einiger Ausführungsformen der Erfindung angesehen werden. Weitere Abwandlungen sind für den Fachmann unmittelbar ersichtlich. So können insbesondere Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausgestaltungen der Erfindung zu erhalten. Der Erfindungsbereich soll demgemäß nicht durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern durch die Ansprüche und ihre Äquivalente definiert werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
