DE102011122608A1

DE102011122608A1 - Kunststoffzahnrad mit geschäumtem Kern und ein Verfahren dazu

Info

Publication number: DE102011122608A1
Application number: DE102011122608A
Authority: DE
Inventors: Michael Kastrup
Original assignee: GM Tec Industries Holding GmbH
Current assignee: GM Tec Industries Holding GmbH
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-07-04
Also published as: WO2013097913A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Zahnrades durch Mehrkomponenten-Spritzguß, wobei der Mehrkomponenten-Spritzguß derart ausgeführt wird, dass zuerst ein die Zahnradaußenwand bildender Kunststoff in den Hohlraum einer Form eingespritzt wird und darauf direkt folgend ein den Zahnradkern (das Zahnradinnere) bildender, sich aufblähender Kunststoff in den verbliebenen (restlichen) Hohlraum der Form eingespritzt wird.

Description

Es ist bekannt, Zahnräder aus Kunststoff in verschiedenen Anwendungsbereichen der Getriebetechnik in Antriebs- und Kraftsträngen einzusetzen. Die zum Einsatz kommenden Kunststoffzahnräder weisen im Allgemeinen eine geringere Fähigkeit auf Leistungen zu übertragen als Zahnräder aus Metall. Dabei werden Kunststoffzahnräder entweder durch Gießverfahren hergestellt, oder die Zahnkonturen der Zahnräder werden aus Halbzeugen herausgearbeitet, z. B. durch Fräsen. Die Formen, die bei Gießverfahren zum Einsatz kommen, weisen dabei im Allgemeinen die schlussendliche Zahnkontur auf, sodass die Zähne nicht weiter bearbeitet werden.
Die Druckschrift DE 3414842 beschreibt ein Zahnrad aus einem Kunststoff, welches radiale Speichen besitzt, die an ihren äußeren Enden durch einen Ring miteinander verbunden sind, um dessen Umfang sich der Zahnkranz erstreckt. In beiden Stirnflächen des Ringes ist jeweils eine Ringnut eingelassen, welche den Ring über einen gewissen Teil seiner Höhe vom Zahnkranz trennt.
Die Druckschrift DE 10 2007 063 422 beschreibt ein Kunststoffzahnrad, wobei hier der Peripherieabschnitt des Zahnrads einschließlich eines Zahnabschnittes aus Kunststoffmaterial besteht. Das innere Umfangselement des Zahnrads ist mit einer Ring- oder Scheibenform an der inneren Umfangsseite des Peripherieabschnittes des Zahnrads versehen, wobei der Peripherieabschnitt des Zahnrads einschließlich des Zahnabschnittes aus einem inneren Kern aus Kunststoff mit großem Elastizitätsmodul und hoher Festigkeit besteht und ein Oberflächenschichtelement aus Kunststoff mit relativ kleinem Elastizitätsmodul den inneren Kern umschließt. Die Herstellung des Zahnrades kann unter anderem durch ein Mehrkomponenten-Spritzgußverfahren erfolgen.
Die bekannten Kunststoffzahnräder weisen aufgrund der Grenzen der Fertigung verschiedene Probleme auf. Zahnräder aus nur einem Material weisen nach Ihrer Herstellung während der Trocknungs- bzw. Aushärtungsphase eine „Schrumpfung” in Dicke und Durchmesser auf. Die Schrumpfung kann dabei linear als auch nichtlinear zur Materialdicke sein, sodass hierdurch im Inneren der Zahnräder Spannungen entstehen und die Fertigungsgenauigkeit, insbesondere im Bereich der Verzahnung, sinkt.
Um mögliche Schrumpfungen bei Zahnrädern zu verringern, erhalten die Zahnräder bereits Aussparungen, so dass Speichen und Streben wie bei einem Fachwerk stehen bleiben. Die Aussparungen reduzieren die Materialmenge zwischen der Zahnradaußenfläche und der Zahnradnabe. Eine reduzierte Materialmenge bewirkt zum einen einen schlechteren Kräfteverlauf der inneren Kraftwirklinien. Zum anderen bewirkt das Einbringen von Speichen und Streben eine inhomogene Schrumpfung. Durch die ungleiche Schrumpfung tritt eine Ungenauigkeit in der Verzahnungsgeometrie auf, die wiederum zu einer Geräuschentwicklung sowie einer undefinierten Kraftübertragung führt. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes führt zu Temperaturschwankungen, die durch eine unterschiedliche Materialdicke des Zahnrades zu einer Temperaturschwankung führt. Dies führt zu einer inhomogenen Schrumpfung des Kunststoffes und somit zu einer verringerten Lebenszeit des Zahnrades,
Der Einsatz von unterschiedlichen Materialien innerhalb des Zahnrades ist zum einen sehr teuer, da in einem mehrstufigen Verfahren mindestens zuerst der Kern gespritzt werden muss. Im Anschluss an das Spritzen des Kernes wird dann der umhüllende Teil gespritzt. Da in der Spritztechnik neben dem herzustellenden Zahnrad aber immer auch noch zumindest der/die Einspritzkanal/-kanäle entstehen, ist davon auszugehen, dass zwischen den beiden Fertigungsschritten zumindest ein Bearbeitungsschritt, zum Entfernen der Reste, notwendig ist. Es ist davon auszugehen, dass sogar mehrere Bearbeitungsschritte erforderlich sind.
Der Einsatz von unterschiedlichen Materialien innerhalb des Zahnrades ruft zum Anderen weitere Probleme hervor. Es kommt aufgrund unterschiedlicher Materialeigenschaften zu keiner einheitlich guten Verbindung zwischen den unterschiedlichen Materien. Die Kontaktbereiche zwischen den Materialien weisen keine homogene Flächenstruktur auf. Die Kraftwirklinien innerhalb des Zahnes sind somit unterbrochen. Nur aufgrund von Oberflächenrauheit und Formschluss kann eine Kraftleitung zwischen den Materialien erfolgen. Dabei entstehen Mikrospannungen, die bei Kraftspitzen zu Materialschäden im Kontaktbereich führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die oben aufgeführten Nachteile zu überwinden. Es soll ein Zahnrad durch ein einfaches Verfahren hergestellt werden, welches nach dem Gießen nur geringe Fertigungsabweichungen aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches zu einem verbesserten Zahnrad führt, indem der Mehrkomponenten-Spritzguss derart ausgeführt wird, dass zuerst der die Zahnradaußenwand bildende Kunststoff in den Hohlraum einer Form eingespritzt wird und darauf direkt folgend der den Zahnradkern (das Zahnradinnere) bildende, sich aufblähende Kunststoff in den verbliebenen (restlichen) Hohlraum der Form eingespritzt wird. Das hierdurch entstehende Zahnrad ist erstens in seinen Materialeigenschaften nicht homogen, weist gleichzeitig eine kompakte Außenhaut auf und besitzt drittens einen von Zellen/Gaseinschlüssen durchzogenen Kern.
Vorteilhaft ist, dass nur ein Basismaterial für die Herstellung des Zahnrades benötigt wird.
Von Vorteil ist, dass das sequenzielle Einbringen desselben Materials mit unterschiedlichen Zusatzstoffen (z. B. bei physikalischen Treibmitteln wie z. B. Kohlendioxid oder Stickstoff sowie bei chemischen Treibmitteln wie z. B. Azodicarbonamid oder Sulfohydrazide) die Herstellung des Zahnrades in nur einem Schritt ermöglicht. Somit wird vorteilhafterweise für die Fertigung nur eine Gießform benötigt.
Von Vorteil ist, dass die Herstellungszeit hierdurch im Vergleich zur mehrstufigen Fertigung, z. B. bei unterschiedlichen Materialien, deutlich verkürzt wird.
Von Vorteil ist, dass durch den geschäumten Kern die Schrumpfung bedeutend reduziert wird und die Genauigkeit der Verzahnung erhöht wird.
Vorteilhaft ist auch, dass das Zahnrad eine optimale Wärmeleitfähigkeit aufweist, da keine Aussparungen vorhanden sind. Von Vorteil ist weiterhin, dass durch einen geschäumten Kern das Gewicht des Zahnrades im Vergleich zu Vollmaterial geringer ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Zeichnung im Schnitt dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Das Zahnrad 1 weist eine die Zahnaußenwand 2 bildende Kunststoffwand auf, welche aus einem nicht geschäumten Kunststoffmaterial besteht. Die Zahnaußenwand 2 weist die Dicke d1 und d2, die Zahnbreite b sowie den Zahnfußkreisdurchmesser df auf. Die Dicken d1 und d2 der Zahnaußenwand 2 können in ihren Dicken unterschiedlich ausgeprägt sein. In der Figur sind die Dicken d1 und d2 an allen Stellen der Außenwand des Zahnrades gleich stark. Dies bedeutet, dass die Dicke d2, die unterhalb der Zahngründe 5 der Zähne 6 vorliegt, identisch ist mit der Dicke d1 an den Stirnseiten 6 und 7 des Zahnrades 1.
Aus der Zeichnung geht weiterhin hervor, dass das Material nur durch eine Öffnung in die Form eingebracht wird. Hierzu wird zuerst der Kunststoff, der die Zahnaußenwand 2 bildet, eingespritzt. Ohne Unterbrechung wird im Zweikomponenten-Spritzgußverfahren im Anschluss daran Kunststoff eingespritzt, welcher durch Zusatz von aufblähenden Mitteln den Schaumstoffkern 3 des Zahnrades 1 bildet. Durch den Spritzvorgang wird der sogenannte Anguss 4 gebildet.
Die Schnittdarstellung des Zahnrades 1 zeigt den Einspritzbereich des die Zahnaußenwand 2 bildenden Kunststoffes 10, sowie den innenliegenden Kanal 9 in den der Kunststoff mit dem aufblähenden Mittel (Treibmittel) für den Schaumstoffkern 3 eingespritzt wird.
Das Zahnrad 1 ist somit in seinen Materialeigenschaften nicht homogen, weist jedoch eine kompakte Außenwand 3 auf, welche härter ist als der von Zellen/Gaseinschlüssen 11 durchzogene Kern 2.
Bei physikalischen Treibmitteln kann z. B. Kohlendioxid oder Stickstoff verwendet werden. Der Einsatz von chemischen Treibmitteln erfolgt z. B. durch die Verwendung von Azodicarbonamid oder Sulfohydrazide.
Ein in 1 nicht dargestelltes Merkmal ist, dass die kompakte Außenwand 2 frei von Zellen oder Gaseinschlüssen 11 ist. Der Zahnradkern 3 hingegen weist Zellen/Gaseinschlüsse 11 auf.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung weist das Merkmal auf, dass die Außenwand 2 die Dicke (d1) hat, welche 10% bis 40%, vorzugsweise 15% bis 20% im Vergleich zur Zahnradbreite (b) beträgt.
In einer anderen Ausführungsform weist die Außenwand 2 eine Dicke (d2) auf, welche 10% bis 40%, vorzugsweise 10% bis 15% im Vergleich zum Fußkreisdurchmesser (df) beträgt.
Je nach Abmessungen des Zahnrades 1 kann die Dicke der Außenwand 2 an allen Stellen des Zahnrades identisch sein.
Je nach Ausführungsform besteht das Zahnrad 1 aus dem Spritzkunststoff Polyoxymethylen, Polyamid, Polybutylenterephthalat, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon oder Polyprophylen.
Je nach Ausführungsform enthält der Kunststoffanteil, der den inneren Kern 3 des Zahnrades 1 bildet, Zusätze, die dem Kunststoff eine höhere Festigkeit verleihen. Hierzu sind Glasfaser- oder Kohlefasereingaben in den Kunststoff vorzusehen. Dies ist insbesondere in einer weiteren Ausführungsform vorzusehen, in der das Zahnrad 1 große Leistungen übertragen soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3414842 [0002]
DE 102007063422 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Zahnrades durch Mehrkomponenten-Spritzguß, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrkomponenten-Spritzguß derart ausgeführt wird, dass zuerst ein die Zahnradaußenwand (2) bildender Kunststoff in den Hohlraum einer Form eingespritzt wird und darauf direkt folgend ein den Zahnradkern (3) (das Zahnradinnere) bildender, sich aufblähender Kunststoff in den verbliebenen (restlichen) Hohlraum der Form eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (1) durch ein 2-Komponenten-Spritzgußverfahren hergestellt wird.
Zahnrad nach dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der von mit Gas gefüllten Zellen (11) durchzogene Kern (3) des Zahnrades (1) aus demselben Kunststoff besteht wie das der kompakten Außenwand des Zahnrades (2).
Zahnrad nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des Kerns (3) unter Verwendung von physikalischen Treibmitteln wie z. B. Kohlendioxid oder Stickstoff aufgeschäumt wird.
Zahnrad nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des Kerns (3) unter Verwendung von chemischen Treibmitte wie Azodicarbonamid oder Sulfohydrazide aufgeschäumt wird.
Zahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kompakte Außenwand (2) frei von mit Gas gefüllten Zellen ist.
Zahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (2) des Zahnrades (1) eine Dicke (d1) aufweist, welche 10% bis 40%, vorzugsweise 15% bis 20% im Vergleich zur Zahnradbreite (b) beträgt.
Zahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (2) des Zahnrades (1) eine Dicke (d2) aufweist, welche 10% bis 40%, vorzugsweise 10% bis 15% im Vergleich zum Fußkreisdurchmesser (df) beträgt.
Zahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (1) aus dem Spritzkunststoff Polyoxymethylen, Polyamid, Polybutylenterephthalat, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon oder Polyprophylen besteht.
Zahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunststoffanteil, der den inneren Kern (3) des Zahnrades (1) bildet, Zusätze zugegeben sind, die die Festigkeit des geschäumten Kerns (4) erhöhen.
Zahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (1) verstärkende Einlagen enthält.