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Die Erfindung betrifft ein Zahnrad mit einer Nabe, einem Zahnkranz sowie einem die Nabe und den Zahnkranz wirkverbindenden Drehmomentübertragungselement. Die Erfindung weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Zahnrads.
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Das Zahnrad ist beispielsweise Bestandteil eines Getriebes, insbesondere eines Zahnradgetriebes. Das Zahnrad setzt sich zumindest aus der Nabe, dem Zahnkranz sowie dem Drehmomentübertragungselement zusammen. Der Zahnkranz weist dabei eine beliebige Zahnung auf, beispielsweise eine Außenverzahnung, insbesondere eine Evolventenaußenverzahnung. Das Zahnrad kann drehbar auf einer Achse gelagert sein oder alternativ drehfest mit einer Welle wirkverbunden sein. In ersterem Fall ist vorzugsweise in der Nabe ein Lager angeordnet, beispielsweise ein Wälzlager, oder die Nabe bildet selber einen Teil des Lagers, welches beispielsweise als Gleitlager ausgeführt ist.
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Die Nabe und der Zahnkranz liegen zunächst als separat ausgebildete Elemente vor. Zur Herstellung des Zahnrads wird die Nabe mit dem Zahnkranz über das Drehmomentübertragungselement verbunden. Das Drehmomentübertragungselement ist dabei derart ausgestaltet, dass es zumindest ein geringes Drehmoment übertragen kann beziehungsweise zum ortsfesten Halten des Zahnkranzes bezüglich der Nabe ausgebildet ist. Insbesondere wenn für das Drehmomentübertragungselement ein Material mit einer Dichte verwendet wird, welche geringer ist als die des Materials der Nabe und/oder des Zahnkranzes, kann ein Zahnrad mit einem geringen Gewicht realisiert werden.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
US 3,200,665 bekannt, welche auf Zahnräder mit einem Faserverbundelement eingeht.
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Es ist nun Aufgabe der Erfindung ein Zahnrad vorzuschlagen, welches ein gegenüber dem bekannten Stand der Technik weiter verringertes Gewicht aufweist.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einem Zahnrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass die Nabe im Längsschnitt gesehen wenigstens einen in Richtung des Zahnkranzes ragenden ersten Vorsprung und der Zahnkranz wenigstens einen in Richtung der Nabe ragenden zweiten Vorsprung aufweist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Vorsprung ein Füllstoffelement angeordnet ist und das Drehmomentübertragungselement über den ersten Vorsprung an der Nabe und über den zweiten Vorsprung an dem Zahnkranz angreift. Der Längsschnitt durch die Nabe beziehungsweise das Zahnrad liegt bezüglich einer Drehachse des Zahnrads vor. Die Nabe verfügt nun über den ersten Vorsprung, welcher sich in radialer Richtung von der Drehachse fort erstreckt, also in Richtung des Zahnkranzes weist. Der zweite Vorsprung erstreckt sich dagegen in radialer Richtung ausgehend von dem Zahnkranz nach innen, also auf die Nabe zu.
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Bevorzugt ist der erste Vorsprung in Umfangsrichtung durchgehend ausgeführt, weist also beispielsweise eine Außenumfangsfläche auf, welche in Umfangsrichtung gesehen stets denselben radialen Abstand von der Drehachse aufweist. Analog ist der zweite Vorsprung in Umfangsrichtung bevorzugt ebenfalls durchgehend ausgeführt und weist insoweit eine Innenumfangsfläche auf, die über ihren gesamten Umfang hinweg mit einem konstanten radialen Abstand zu der Drehachse ausgeführt ist. Alternativ können der erste Vorsprung und/oder der zweite Vorsprung selbstverständlich unterbrochen ausgeführt sein. Bei einer derartigen Ausführungsform verfügt der erste Vorsprung über mehrere erste Teilvorsprünge und der zweite Vorsprung über mehrere zweite Teilvorsprünge, wobei die ersten Teilvorsprünge und die zweiten Teilvorsprünge von benachbarten Teilvorsprüngen jeweils beabstandet angeordnet sind. Bei einer derartigen Ausführungsform sind die ersten und zweiten Teilvorsprünge bevorzugt in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet.
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Beispielsweise ragt der erste Vorsprung in Richtung des zweiten Vorsprungs und der zweite Vorsprung in Richtung des ersten Vorsprungs. Das bedeutet, dass sich die beiden Vorsprünge in axialer Richtung gesehen wenigstens bereichsweise überlappen. Zwischen dem ersten Vorsprung und dem zweiten Vorsprung soll nun das Füllstoffelement vorliegen, wobei dies insbesondere in demjenigen Bereich vorgesehen ist, in welchem die Überlappung der beiden Vorsprünge in axialer Richtung vorliegt. Das Füllstoffelement besteht beispielsweise aus einem Material mit geringer Dichte, sodass das Gewicht des Zahnrads nochmals deutlich reduziert werden kann.
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Das Drehmomentübertragungselement, welches dem Halten des Zahnkranzes bezüglich der Nabe dient, soll nun zu diesem Zweck sowohl an dem ersten Vorsprung als auch an dem zweiten Vorsprung angreifen beziehungsweise dort befestigt sein. Um die Befestigungswirkung zwischen dem Drehmomentübertragungselement und dem ersten Vorsprung beziehungsweise dem zweiten Vorsprung zu verbessern, kann es vorgesehen sein, dass an dem jeweiligen Vorsprung wenigstens ein Axialvorsprung vorliegt, welcher insoweit in das Drehmomentübertragungselement eingreift, wobei der Axialvorsprung von dem Drehmomentübertragungselement formschlüssig umgriffen ist.
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Ein derartiger Axialvorsprung liegt beispielsweise entweder an dem ersten Vorsprung oder an dem zweiten Vorsprung vor. Besonders bevorzugt ist jedoch an jedem Vorsprung wenigstens ein derartiger Axialvorsprung vorgesehen. Insbesondere liegen an jedem Vorsprung jeweils mehrere derartige Axialvorsprünge vor, welche vorzugsweise an derselben Radialposition bezüglich der Drehachse und/oder in Umfangsrichtung äquidistant zueinander vorliegen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der erste Vorsprung und der zweite Vorsprung an derselben Axialposition vorliegen und/oder dieselbe Erstreckung in axialer Richtung aufweisen. Auf eine derartige Ausgestaltung wurde bereits vorstehend hingewiesen. Durch die Anordnung der Vorsprünge an derselben Axialposition wird eine Überlappung in axialer Richtung erzielt. Zusätzlich kann es nun vorgesehen sein, dass die Vorsprünge in axialer Richtung dieselbe Erstreckung aufweisen. Eine derartige Ausführungsform bedeutet ein minimales Gewicht des Zahnrads, insbesondere wenn das Füllstoffelement sich in axialer Richtung über die gesamte Überlappung erstreckt, also in axialer Richtung dieselben Abmessungen aufweist wie die Überlappung.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Füllstoffelement aus einem Material besteht, das eine geringere Dichte aufweist als das Material des Drehmomentübertragungselements. Grundsätzlich kann das Füllstoffelement aus einem beliebigen Material bestehen. Um eine möglichst deutliche Gewichtsreduktion des Zahnrads zu ermöglichen, soll jedoch das Material des Füllstoffelements eine Dichte aufweisen, die geringer ist als die Dichte des Materials des Drehmomentübertragungselements und/oder die Dichte des Materials des Zahnkranzes und/oder die Dichte des Materials der Nabe. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Füllstoffelement aus Luft besteht, sodass insoweit zwischen den Vorsprüngen der Nabe und des Zahnkranzes ein luftgefüllter Hohlraum vorliegt. Besonders bevorzugt besteht das Füllstoffelement jedoch aus einem Schaumstoff, weil dieses bei äußerst geringem Gewicht eine gewisse Formstabilität aufweist, die ein einfaches Aufbringen beziehungsweise Anbringen des Drehmomentübertragungselements ermöglicht.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Drehmomentübertragungselement aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff, besteht. Das Faserverbundmaterial setzt sich aus Fasern sowie einer Matrix zusammen, in welche diese Fasern eingebettet sind. Als Matrix kommt beispielsweise ein Kunststoff, insbesondere ein Thermoplast oder ein Duroplast, zur Anwendung. Als Fasern können insbesondere Glasfasern, Kohlefasern oder ein Fasergemisch aus Glasfasern und Kohlefasern zum Einsatz kommen. Das Drehmomentübertragungselement liegt beispielsweise in Form eines Laminats vor, wird also auf die Nabe und den Zahnkranz beziehungsweise auf den ersten Vorsprung und den zweiten Vorsprung auflaminiert.
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Schließlich kann vorgesehen sein, dass der Zahnkranz und die Nabe aus dem gleichen Material bestehen. Besonders bevorzugt wird als Material beispielsweise Eisen oder Stahl, insbesondere Edelstahl, verwendet. Der Stahl beziehungsweise Edelstahl kann rostfrei sein. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, den Zahnkranz und die Nabe – je nach Einsatzgebiet des Zahnrads – aus verschiedenen Materialien herzustellen. Besonders bevorzugt besteht der Zahnkranz wie bereits beschrieben wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Eisen oder Stahl. Beispielsweise setzt sich der Zahnkranz aus mehreren Metallteilen, insbesondere Eisen- oder Stahlteilen, zusammen. Die Nabe kann dagegen, insbesondere wenn sie als Bestandteil eines Gleitlagers ausgebildet ist, aus einem Material mit besonders guten Gleiteigenschaften bestehen. Bei einer derartigen Ausführungsform kann dem Material der Nabe zudem beispielsweise ein Festschmierstoff beigemengt werden. Selbstverständlich kann jedoch auch die Nabe wie vorstehend für den Zahnkranz beschrieben ausgeführt sein.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Zahnrads, insbesondere eines Zahnrads nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zahnrad eine Nabe, einen Zahnkranz sowie ein die Nabe und den Zahnkranz wirkverbindendes Drehmomentübertragungselement aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die Nabe im Längsschnitt gesehen wenigstens einen in Richtung des Zahnkranzes ragenden ersten Vorsprung und der Zahnkranz wenigstens einen in Richtung der Nabe ragenden zweiten Vorsprung aufweist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Vorsprung ein Füllstoffelement angeordnet wird und das Drehmomentübertragungselement über den ersten Vorsprung an der Nabe und über den zweiten Vorsprung an den Zahnkranz angreift. Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung des Zahnrads beziehungsweise einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits eingegangen. Das Verfahren sowie das Zahnrad können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
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1 eine erste Ansicht eines Zahnrads,
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2 eine geschnittene Detailansicht des Zahnrads, und
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3 einen Längsschnitt durch einen Bereich des Zahnrads.
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Die 1 zeigt eine erste Ansicht eines Zahnrads 1 mit einer Nabe 2, einem Zahnkranz 3 sowie einen Drehmomentübertragungselement 4. Letzteres dient dazu, die Nabe 2 drehfest mit dem Zahnkranz 3 zu verbinden beziehungsweise den Zahnkranz 3 bezüglich der Nabe 2 ortsfest zu halten. Das Zahnrad 1 weist eine Drehachse 5 auf.
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Die 2 zeigt eine Detailschnittansicht des Zahnrads 1. Es ist erkennbar, dass die Nabe 2 einen ersten Vorsprung 6 aufweist, der sich in radialer Richtung – bezogen auf die Drehachse 5 – in Richtung des Zahnkranzes 3 erstreckt. Analog dazu weist der Zahnkranz 3 einen zweiten Vorsprung 7 auf, welcher in radialer Richtung nach innen, also hin zu der Nabe 2, ragt. Die Vorsprünge 6 und 7 sind in radialer Richtung voneinander beabstandet. Der erste Vorsprung 6 weist eine Außenumfangsfläche 8, der zweite Vorsprung 7 einen Innenumfangsfläche 9 auf. Besonders bevorzugt sind beide Vorsprünge 6 und 7 in Umfangsrichtung durchgehend ausgebildet, sodass die Außenumfangsfläche 8 beziehungsweise die Innenumfangsfläche 9 über den gesamten Umfang hinweg stets denselben Abstand in radialer Richtung von der Drehachse 5 aufweist.
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Es ist erkennbar, dass die Vorsprünge 6 und 7 an derselben Axialposition vorliegen und auch dieselbe Erstreckung in axialer Richtung aufweisen. Das bedeutet, dass sie in axialer Richtung überlappend ausgebildet sind. Im Bereich dieser Überlappung liegt ein Füllstoffelement zwischen den Vorsprüngen 6 und 7, also zwischen der Innenumfangsfläche 9 und der Außenumfangsfläche 8 vor. Bevorzugt erstreckt sich das Füllstoffelement in radialer Richtung von der Innenumfangsfläche 9 bis hin zu der Außenumfangsfläche 8. Beidseitig des Füllstoffelements 10 ist das Drehmomentübertragungselement 4 angeordnet. Es ist also nicht notwendig, dass das Füllstoffelement 10 fest mit wenigstens einem der Vorsprünge 6 und 7 verbunden ist. Vielmehr wird das Füllstoffelement 10 von dem Drehmomentübertragungselement 4 ortsfest bezüglich der Nabe 2 beziehungsweise des Zahnkranzes 3 gehalten.
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Das Drehmomentübertragungselement 4 kann, wie hier dargestellt, mehrteilig ausgebildet sein. Es greift sowohl an der Nabe 2 als auch dem Zahnkranz 3 an, um diese Elemente drehfest miteinander zu verbinden. Bevorzugt greift es dabei sowohl an dem ersten Vorsprung 6 als auch an dem zweiten Vorsprung 7 an. Auf diese Art und Weise wird eine vergleichsweise große Kontaktfläche zwischen dem Drehmomentübertragungselement 4 und der Nabe 2 beziehungsweise dem Zahnkranz 3 geschaffen, sodass trotz der mehrteiligen Ausgestaltung des Zahnrads 1 mit Nabe 2 und Zahnkranz 3 und dem daraus resultierenden geringen Gewicht des Zahnrads 1 ein großes Drehmoment übertragen werden kann.
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Das Drehmomentübertragungselement 4 wird bevorzugt durch Laminieren beziehungsweise Auflaminieren hergestellt. Bei dem Herstellen des Zahnrads 1 ist es also insbesondere vorgesehen, die Nabe 2 und den Zahnkranz 3 zueinander anzuordnen und das Füllstoffelement 10 zwischen die Vorsprünge 6 und 7 einzubringen. Anschließend wird das Drehmomentübertragungselement 4 durch Laminieren aufgebracht, bevorzugt beidseitig des Füllstoffelements. Das Drehmomentübertragungselement 4 ist dabei in radialer Richtung überlappend mit den Vorsprüngen 6 und 7 ausgebildet. Bedingt durch das Angreifen des Drehmomentübertragungselements 4 an den Vorsprüngen 6 und 7 wird die Übertragbarkeit eines großen Drehmoments sichergestellt.
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Selbstverständlich kann es auch vorgesehen sein, dass das Drehmomentübertragungselement 4 auf lediglich einer Seite des Füllstoffelements 10 vorliegt. Weil das Füllstoffelement 10 selbst bevorzugt eine geringe Stützkraft bewirkt und mithin dazu beiträgt, den Zahnkranz 3 und die Nabe 2 zueinander in Position zu halten, kann dies in Abhängigkeit von dem Einsatzgebiet des Zahnrads 1 bereits ausreichend sein. Das Füllstoffelement 10 besteht bevorzugt aus einem Material, welches eine geringere Dichte aufweist als das Material des Drehmomentübertragungselements 4. Beispielsweise besteht das Füllstoffelement 10 aus einem Schaumstoff, insbesondere aus einem geschäumten Kunststoff.
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Die 3 zeigt eine Längsschnittdarstellung eines Bereichs des Zahnrad 1. Es wird deutlich, dass die Außenumfangsfläche 8 sowie die Innenumfangsfläche 9 in Längsrichtung parallel zu der Drehachse 5 verlaufen. Dabei sind sie gleichzeitig rotationssymmetrisch zu dieser, weisen also in Umfangsrichtung einen konstanten Abstand zu der Drehachse 5 auf. Das Füllstoffelement 10 kann, wie bereits erläutert, aus einem Schaumstoff bestehen. Alternativ wird als Material für das Füllstoffelement 10 Luft verwendet, sodass zwischen den Vorsprüngen 6 und 7 ein luftgefüllter Raum vorliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnrad
- 2
- Nabe
- 3
- Zahnkranz
- 4
- Drehmomentübertragungselement
- 5
- Drehachse
- 6
- 1. Vorsprung
- 7
- 2. Vorsprung
- 8
- Außenumfangsfläche
- 9
- Innenumfangsfläche
- 10
- Füllstoffelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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