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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Abtriebselement einer Getriebe-Antriebseinrichtung in einem Komfortantrieb eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Getriebe-Antriebseinrichtung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Abtriebselements.
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Ein Abtriebselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2009 046 517 A1 der Anmelderin bekannt. Dabei umfasst das Abtriebselement ein aus Metall bestehendes, eine Verzahnung aufweisendes Abtriebsritzel, das einen flanschförmigen, radial umlaufenden Rand aufweist, der von dem Kunststoff eines Getrieberads umspritzt ist. Das Erfordernis, dass das Abtriebsritzel aus Metall besteht, ergibt sich aus Gründen der Robustheit bzw. der Verschleißfestigkeit der Getriebe-Antriebseinrichtung, die beispielsweise zum Verstellen eines Schiebedachs, eines Sitzes, einer Fensterscheibe o.ä. in einem Kraftfahrzeug dient. Dabei wird durch die spezielle Ausbildung des Abtriebsritzels eine Formschlussverbindung zwischen dem Abtriebsritzel und dem Getrieberad erzeugt, damit das von einem Antriebsmotor (Elektromotor) erzeugte Drehmoment auf das Abtriebsritzel übertragen werden kann.
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Wesentlich dabei ist, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Abtriebsritzel, zu denen auch das Abtriebsritzel aus der genannten Schrift zählt, im Sinterverfahren hergestellt sind, d.h., dass ein Metallpulver unter hohem Druck und hoher Temperatur zu dem Abtriebsritzel geformt wird. Das Sinterverfahren bedingt, dass aus Gründen der Herstellbarkeit bestimmte Wandstärken bzw. Geometrien vorhanden sind, damit die gewünschte Reproduzierbarkeit bzw. Genauigkeit des Abtriebsritzels erzielbar ist. Insbesondere ist dadurch ein relativ hoher Metallanteil, bezogen auf das gesamte Abtriebselement erforderlich, der zu einem relativ hohen Gewicht des Abtriebselements führt. Im Zuge geforderter Gewichtseinsparungen in der Kraftfahrzeugtechnik ist es jedoch erwünscht, jedes Bauteil hinsichtlich seines Gewichts zu optimieren, da derartige Abtriebselemente bzw. Getriebe-Antriebseinrichtungen in einem Kraftfahrzeug oftmals mehrfach vorhanden sind, so dass sich mögliche Gewichtseinsparungen vervielfachen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Abtriebselement einer Getriebe-Antriebseinrichtung in einem Komfortantrieb eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine Gewichtsoptimierung, d.h. eine Gewichtsersparnis gegenüber den im Sinterverfahren hergestellten Abtriebsritzeln aus dem Stand der Technik erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Abtriebselement einer Getriebe-Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Abtriebsritzel ein im Pulverspritzgussverfahren hergestelltes Teil ist. Unter einem Pulverspritzgussverfahren (in der Literatur auch als „MIM-Verfahren“ bezeichnet) wird dabei im Rahmen der Erfindung ein Verfahren unter Verwendung von Metallpulver als Grundsubstanz für das Abtriebsritzel wie bei dem (normalen) Sinterverfahren verstanden, wobei das Metallpulver mit einem bestimmten Anteil von Kunststoffpulver in Form eines Thermoplastes (ggf. zusätzlich mit Wachsen) vermischt und dadurch fließfähig gemacht wird. Anschließend wird die Mischung in einer Spritzgussform abformt. Danach wird der Kunststoff wieder entfernt. Zuletzt wird das Bauteil durchgesintert. Das Pulverspritzgussverfahren hat insbesondere den Vorteil, dass bei Erzielung genügend hoher Festigkeitswerte gegenüber dem normalen Sinterverfahren feinere Strukturen bzw. Strukturen mit geringerer Wandstärke reproduzierbar und mit der benötigten Genauigkeit herstellbar sind. Dadurch ist es möglich gegenüber dem Stand der Technik das Abtriebsritzel gewichtsgünstiger zu gestalten, ohne dass festigkeitsmäßig oder bezüglich des Verschleißes Nachteile zu erwarten sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Abtriebselements einer Getriebe-Antriebseinrichtung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer konstruktiven Ausgestaltung des Abtriebselements wird vorgeschlagen, dass das Abtriebsritzel einen von dem Kunststoff des Getrieberads umspritzten, radial in Bezug zu einer Längsachse des Abtriebsritzels nach außen ragenden Anschlussflansch aufweist, in dessen Ober- und Unterseite taschenförmige Ausnehmungen ausgebildet sind, die zur Ausbildung einer Formschlussverbindung mit dem Kunststoff des Getrieberads ausgefüllt sind, wobei sich die Ausnehmungen an der Oberseite und der Unterseite in Umfangsrichtung abwechseln. Dabei wird durch den radial nach außen ragenden Anschlussflansch in Verbindung mit den an der Oberseite und Unterseite in Umfangsrichtung einander abwechselnden Ausnehmungen eine relativ geringe Belastung auf die Verbindung selbst beim Übertragen relativ hoher Drehmomente erzielt. Derartige taschenförmige Ausnehmungen lassen sich zwar grundsätzlich auch durch ein Sinterverfahren herstellen, die benötigte Höhe des radial umlaufenden Anschlussflansches ist dabei jedoch relativ groß, so dass auch insgesamt die Bauhöhe des Abtriebselements dadurch relativ groß ist.
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Daher ist es in einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Vorschlags vorgesehen, dass die Ausnehmungen jeweils von einem senkrecht zur Längsachse des Abtriebsritzels angeordneten Wandabschnitt und zwei schräg angeordneten Verbindungsabschnitten ausgebildet sind, an die sich jeweils wiederum ein Wandabschnitt anschließt, und dass die Wanddicken des Wandabschnitts und der Verbindungsabschnitte jeweils zumindest in etwa gleich groß sind. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Höhe des Anschlussflansches minimiert ist, so dass insgesamt die Höhe des Abtriebselements ebenfalls relativ gering ist.
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In einer alternativen Ausgestaltung zur Verwendung eines radial umlaufenden Anschlussflansches, die gegenüber der Verwendung eines Anschlussflansches eine nochmalige Gewichtsreduzierung erlaubt, wird vorgeschlagen, dass das Abtriebsritzel hülsenförmig ausgebildet ist und auf der der Verzahnung gegenüberliegenden Seite einen sich in Längsrichtung erstreckenden, ringförmigen Befestigungsbereich mit Zähnen und zwischen den Zähnen angeordneten Lücken aufweist, wobei der Befestigungsbereich von dem Kunststoff des Getrieberads umspritzt ist.
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Eine weitere geometrische Optimierung des zuletzt gemachten Vorschlags sieht vor, dass zwischen dem Befestigungsbereich und der Verzahnung ein ringförmiger Zwischenbereich angeordnet ist, und dass der Befestigungsbereich gegenüber dem Zwischenbereich radial zurückgesetzt ist. Dadurch wird bei einer axialen Beanspruchung des Abtriebsritzels in Richtung des Getrieberads eine Abstützung der Axialkraft in dem Getrieberad über den Zwischenbereich ermöglicht, so dass der Bereich der Zähne keine Axialkräfte auf das Getrieberad übertragen muss.
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In weiterer Optimierung sowohl eines hülsenförmigen Abtriebsritzels, als auch eines Abtriebsritzels, das einen radial umlaufenden Anschlussflansch aufweist, wird vorgeschlagen, dass der Kunststoff des Getrieberads an einer radial umlaufenden Innenwand des Abtriebsritzels angeordnet ist und eine in axialer Richtung der Längsachse des Abtriebsritzels verlaufende Hülse ausbildet, wobei eine Durchgangsöffnung der Hülse zur Lagerung des Abtriebselements ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung ermöglicht eine nochmalige Reduzierung der Wandstärke des Abtriebsritzels im Bereich der aus Kunststoff bestehenden Hülse.
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Zur Optimierung der Verbindung zwischen dem Kunststoff im Bereich der Hülse und dem Abtriebsritzel ist es in einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass das Abtriebsritzel im Bereich der Hülse zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Vertiefungen in Form von Taschen aufweist, die von dem Kunststoff der Hülse ausgefüllt sind.
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Eine weitere Optimierung hinsichtlich der Übertragung axialer Kräfte wird erzielt, wenn das Abtriebsritzel im Bereich der Hülse eine konische Form aufweist. Dadurch lassen sich über die Form der Hülse und des Abtriebsritzels Axialkräfte ohne zusätzliche (Formschluss-)Elemente übertragen.
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Die Erfindung umfasst auch eine Getriebe-Antriebseinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Abtriebselement, wobei die Getriebe-Antriebseinrichtung vorzugsweise in einem Komfortantrieb eines Kraftfahrzeugs zur Verstellung eines Elements, wie einer Fensterscheibe, einem Schiebedach, einem Sitz o.ä. dient.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Dies zeigt in:
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1 eine Getriebe-Antriebseinrichtung eines Komfortantriebs unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Abtriebselements bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt,
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2 das Abtriebsritzel des Abtriebselements, wie es in der 1 verwendet wird, in perspektivischer Ansicht,
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3 eine perspektivische Ansicht des Abtriebselements gemäß der ersten Ausführungsform nach 1,
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4 ein gegenüber 2 modifiziertes Abtriebsritzel bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Darstellung,
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5 das Getrieberad, wie es zusammen mit dem Abtriebsritzel gemäß 4 verwendet wird, in perspektivischer Darstellung,
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6 einen Längsschnitt durch ein Abtriebselement mit dem Abtriebsritzel gemäß 4,
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7 ein drittes Abtriebsritzel in perspektivischer Darstellung und
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8 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung des Abtriebsritzels gemäß 7.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein Teil einer Getriebe-Antriebseinrichtung 100 dargestellt, wie sie Bestandteil eines Komfortantriebs in einem Kraftfahrzeug ist. Unter einem Komfortantrieb im Rahmen der Erfindung wird dabei beispielsweise, jedoch nicht einschränkend, ein Schiebedachantrieb, ein Fensterheberantrieb, ein Sitzverstellungsantrieb o.ä. verstanden.
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Die Getriebe-Antriebseinrichtung 100 umfasst einen als Elektromotor ausgebildeten Antriebsmotor, dessen Gehäuse an ein insbesondere aus Kunststoff ausgebildetes Getriebegehäuse 15 angeflanscht ist, wobei eine Ankerwelle 16 des Antriebsmotors bis in den Bereich des Getriebegehäuses 15 hineinragt. Das Getriebegehäuse 15 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus zumindest zwei Teilen, einem Gehäusegrundkörper 17 sowie einem den Gehäusegrundkörper 17 verschließenden Gehäusedeckel 18. Das Getriebegehäuse 15 dient der Aufnahme eines Getriebes 20, das dazu dient, die Drehzahl des Antriebsmotors bei gleichzeitiger Steigerung des Drehmoments herabzusetzen. Hierzu ist innerhalb des topfförmigen Gehäusegrundkörpers 17 ein erfindungsgemäßes Abtriebselement 10 angeordnet, das auf einem domartigen Fortsatz 21 des Getriebegehäuses 15 in seiner Längsachse 11 drehbar gelagert ist.
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Das Abtriebselement 10 besteht aus zwei Teilen, einem aus Metall bestehenden Abtriebsritzel 12 und einem aus Kunststoff bestehenden Getrieberad 13, wobei das im Spritzgussverfahren hergestellte Getrieberad 13 zum Ausbilden einer Formschlussverbindung das Abtriebsritzel 12 bereichsweise umgibt. Das Getrieberad 13 weist an seinem Umfang eine Verzahnung 22 auf, die mit einer an der Ankerwelle 16 ausbildeten Gegenverzahnung 23, insbesondere in Form einer Antriebsschnecke, zusammenwirkt. Um das Getrieberad 13 innerhalb des Getriebegehäuses 15 axial zu lagern bzw. zu positionieren liegt dieses mit seiner Unterseite an einem ringförmig ausgebildeten Bereich 24 des Gehäusebodens auf. Darüber hinaus weist das Getrieberad 13 an seiner dem Bereich 24 gegenüberliegenden Seite einen ringförmigen Bereich 25 auf, der in Wirkverbindung mit dem Gehäusedeckel 18 angeordnet ist, um das Getrieberad 13 innerhalb des Getriebegehäuses 15 mit lediglich geringem axialen Spiel zu lagern. Das Abtriebsritzel 12 ragt bereichsweise aus einer Öffnung 26 des Gehäusedeckels 18 heraus und weist eine Verzahnung 27 an seinem Umfang auf, die mit dem zu verstellenden Element (Schiebedach, Sitz, Fensterscheibe o.ä.) zumindest mittelbar zusammenwirkt.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Abtriebsritzel 12 als Metallpulverspritzgußteil ausgebildet bzw. im MIM-Verfahren hergestellt ist. Unter dem MIM-Verfahren wird dabei im Rahmen der Erfindung ein Verfahren verstanden, bei der ein Metallpulver durch Zusatz von thermoplastischen Kunststoffen und Wachsen fließfähig gemacht und in einem Spritzgussprozess abgeformt wird. Anschließend wird der Kunststoffanteil wieder entfernt und das so vorgefertigte Bauteil durchgesintert.
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Wie am Besten anhand der 2 erkennbar ist, ist das Abtriebsritzel 12 im Wesentlichen hülsenförmig bzw. ringförmig ausgebildet und weist auf der innerhalb des Getriebegehäuses 15 angeordneten Seite einen ringförmig umlaufenden Anschlussflansch 30 auf. Der Anschlussflansch 30 ist dazu ausgebildet, mit dem Kunststoff des Getrieberads 13 in einem der Fertigung des Abtriebsritzels 12 nachgelagerten Spritzgussverfahren umspritzt zu werden. Hierzu weist der Anschlussflansch 30 auf der der Verzahnung 27 zugewandten Oberseite sowie auf der Verzahnung 27 abgewandten Unterseite taschenförmige, radial nach außen ragende Ausnehmungen 31, 32 auf, die sich in Umfangsrichtung abwechseln. Die Ausnehmungen 31, 32 reichen radial nicht bis zu dem Bereich der Verzahnung 27 heran. Die Ausnehmungen 31, 32 sind gebildet durch senkrecht zur Längsachse 11 des Abtriebselements 10 verlaufende Wandabschnitte 33, 34 sowie die Wandabschnitte 33, 34 verbindende, schräg angeordnete Verbindungsabschnitte 35, 36. Wesentlich dabei ist, dass die Dicke der Wandabschnitte 33, 34 und der Verbindungsabschnitte 35, 36 zumindest in etwa gleich groß ist. Beispielhaft beträgt die Dicke der Wandabschnitte 33, 34 etwa 0,9mm und die Gesamtdicke des Anschlussflanschs 30 etwa 2,5mm.
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Anhand der 3 ist erkennbar, dass der Anschlussflansch 30 auf der Oberseite und der Unterseite von dem Kunststoff des Getrieberads 13 umspritzt ist, wobei der Bereich der Verzahnung 27 frei von Kunststoff ist.
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In den 4 bis 6 ist ein abgewandeltes Abtriebselements 10a dargestellt. Insbesondere erkennt man dabei, dass ein hülsenförmiger Bereich 38 des Abtriebsritzels 12a an seinem Innenumfang in Längsrichtung bzw. fluchtend zur Längsachse 11 verlaufende, jeweils einen in etwa rechteckförmigen Querschnitt aufweisende Taschen 39 hat. Die Taschen 39 sind von dem Kunststoff des Getrieberads 13a ausgefüllt, das entsprechend der Darstellung der 5 und 6 einen ebenfalls hülsenförmigen Bereich 40 ausbildet, der radial innerhalb des Bereichs 38 angeordnet ist. Der hülsenförmige Bereich 40 dient gleichzeitig der Lagerung des Abtriebselements 10a in dem Getriebegehäuse 15. Gegenüber dem Abtriebsritzel 12 kann das Abtriebsritzel 12a eine verringerte Wandstärke bzw. Wanddicke im Bereich der Verzahnung 27 aufweisen. Wie ferner anhand der 6 erkennbar ist, kann es vorgesehen sein, dass der Innenumfang des Abtriebsritzels 12a eine leicht konische Form aufweist. Dadurch kann ein zusätzlicher Formschluss in axialer Richtung zwischen dem Abtriebsritzel 12a und dem hülsenförmigen Bereich 40 des Getrieberads 13a erzielt werden. Die Wanddicke des hülsenförmigen Bereichs 40 des Getrieberads 13 beträgt in dem Bereich, in dem der Kunststoff des Getrieberads 13a nicht die Taschen 39 ausfüllt, beispielsweise etwa 0,4mm, während die Dicke ansonsten, d.h. in dem Bereich der Taschen 39, etwa 0,75mm beträgt. Der Anschlussflansch 30 des Abtriebselements 10a ist im Ausführungsbeispiel gemäß der 4 bis 6 identisch zum Anschlussflansch 30 des Abtriebselements 10 ausgebildet.
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In den 7 und 8 ist eine dritte Ausführungsvariante des Abtriebselements 10b dargestellt. Wesentlich dabei ist, dass das Abtriebselement 10b, im Gegensatz zu den Abtriebselementen 10 und 10a, keinen Anschlussflansch 30 aufweist. Vielmehr ist das Abtriebsritzel 12b vollständig hülsenförmig ausgebildet und weist auf der der Verzahnung 27 abgewandten Seite einen Befestigungsbereich 41 mit axial sich erstreckenden bzw. abragenden Zähne 42 auf, zwischen denen jeweils Lücken 43 ausgebildet sind. Die Zähne 42 sind mit dem Bereich der Verzahnungen 27 über einen ringförmigen Zwischenbereich 44 verbunden, wobei der Zwischenbereich 44 einen Außendurchmesser aufweist, der dem Außendurchmesser der Verzahnung 27 entspricht, und wobei die Zähne 42 radial nach innen versetzt in Bezug zu dem Zwischenbereich 44 angeordnet sind, das heißt, dass der Befestigungsbereich 41 einen geringeren Außendurchmesser aufweist wie der Zwischenbereich 44. Die der Verzahnung 27 abgewandte eine Stirnseite des Zwischenbereichs 44 dient radial außerhalb der Zähne 42 als Abstützfläche 45 für das Abtriebsritzel 12b in axialer Richtung. Ferner erkennt man, dass am Innenumfang des Abtriebsritzels 12b, in Analogie zum Abtriebsritzel 12a, Taschen 39 ausgebildet sind, die entsprechend der Darstellung der 8 von dem Kunststoff des hülsenförmigen Bereichs 40 des Getrieberads 13b ausgefüllt sind.
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Das soweit beschriebene Abtriebselement 10, 10a bzw. 10b kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere ist es auch denkbar, dass im Gegensatz zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel kein einstufiges Getriebe 20 Verwendung findet, sondern ein mehrstufiges Getriebe, wobei das Abtriebselement 10, 10a, 10b dann die letzte Stufe des Getriebes 20 ausbildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009046517 A1 [0002]
