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Die Erfindung betrifft ein Zahnrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige, aus mehreren axial aufeinandergestapelten Zahnradlamellen zusammengesetzte Zahnräder sind aus dem Stand der Technik bereits allgemein bekannt.
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So offenbart die
DE 925 262 Beine gattungsgemäße Ausführungsform eines Zahnrads, das aus zwei axial aufeinandergestapelten, koaxial angeordneten Zahnradlamellen zusammengesetzt ist und eine radial innere Öffnung zur Aufnahme einer Hülse aufweist. Die beiden Zahnradlamellen liegen im Bereich ihrer Außenverzahnung unmittelbar aneinander an, entfernen sich in radialer Richtung zur Öffnung hin axial voneinander und sind am Rand der inneren Öffnung axial beabstandet.
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Die
CH 20 645 A zeigt ein Zahnrad, das aus zwei axial aufeinandergestapelten, koaxial angeordneten Blechscheiben zusammengesetzt ist, wobei die Blechscheiben an ihren radialen Außenrändern axial beabstandet sind und eine ringförmige Kehle zur Aufnahme einer Fahrradkette bilden.
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In der
US 2005/0090349 A1 ist ein Zahnradsatz für die Gangschaltung eines Fahrrads beschrieben. Dieser Zahnradsatz ist aus mehreren axial aufeinandergestapelten, koaxial angeordneten Ritzeln zusammengesetzt, wobei benachbarte Ritzel abschnittsweise aneinander anliegen und im Bereich ihrer Außenverzahnung axial beabstandet sind.
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Schließlich offenbart die
US 8,505,705 B2 eine Parksperre für ein Kraftfahrzeug, wobei einzelne Komponenten der Parksperre jeweils aus mehreren aufeinandergestapelten und fest miteinander verbundenen Blechlamellen zusammengesetzt sind. Diese als Blechstapel ausgeführten Komponenten der Parksperre weisen gegenüber einer einstückigen Ausführung vor allem fertigungstechnische Vorteile auf. So können die einzelnen Blechlamellen zum Beispiel als einfache Stanzteile hergestellt und anschließend in beliebiger Anzahl aufeinandergestapelt werden, um eine gewünschte Bauteildicke zu erhalten. Auf diese Weise lassen sich mit geringem Aufwand Bauteile realisieren, die eine beliebig große Bauteildicke und darüber hinaus äußerst geringe Maßtoleranzen aufweisen.
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Durch die aufeinandergestapelten Lamellen lässt sich die Bauteilgeometrie, insbesondere in axialer Richtung, nur noch sehr eingeschränkt an die lokalen Beanspruchungen und Randbedingungen des Bauteils anpassen. Entsprechend werden die gesamten Bauteile in axialer Richtung, das heißt senkrecht zur Lamellenebene, jeweils auf die größte erforderliche Abmessung ausgelegt, was zu einem hohen Materialverbrauch und einem unerwünscht hohen Gewicht führt. Eine lokale Änderung, insbesondere Reduzierung der axialen Bauteilabmessung ist in der Regel kaum und/oder nur mit recht großem Aufwand möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein aus mehreren axial aufeinandergestapelten Zahnradlamellen zusammengesetztes Zahnrad zu schaffen, das sich mit geringem Aufwand an die jeweiligen Randbedingungen des Zahnrads anpassen lässt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Zahnrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, dass zwei axial benachbarte Zahnradlamellen abschnittsweise unmittelbar aneinander anliegen, sich in radialer Richtung zur Aufnahmeöffnung hin axial voneinander entfernen und im Bereich eines die Aufnahmeöffnung begrenzenden Rands axial beabstandet sind, ist die axiale Außenabmessung des Zahnrads im Bereich des Rands der Aufnahmeöffnung gegenüber einem Kontaktbereich, in dem die beiden axial benachbarten Zahnradlamellen unmittelbar aneinander anliegen, vergrößert. Das Zahnrad lässt sich somit zum Beispiel an die Randbedingung einer besonders kippstabilen Lagerung im Bereich der Aufnahmeöffnung anpassen, ohne die axiale Zahnradabmessung durch Hinzufügen weiterer Zahnradlamellen insgesamt zu erhöhen.
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Auf diese Weise lässt sich die Anzahl der notwendigen Zahnradlamellen über die Beanspruchung der Verzahnung bestimmen (beispielsweise durch ein maximal aufzunehmendes Drehmoment), während Randbedingungen wie eine kippstabile Lagerung des Zahnrads durch eine geeignete Verformung der Zahnradlamellen erfüllt werden. Eine auf Randbedingungen beruhende Überdimensionierung des Zahnrads, welche in unerwünschter Weise zu einem erhöhten Materialverbrauch und Gewicht führt, wird dementsprechend vermieden.
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Dieser vorteilhafte technische Effekt wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass wenigstens eine der Zahnradlamellen des Zahnrads in axialer Richtung plastisch so verformt wird, dass sie nicht mehr eben ist und insbesondere eine Wölbung aufweist.
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Bleche eignen sich für eine solche plastische Verformung besonders gut, sodass die Zahnradlamellen vorzugsweise Blechlamellen sind.
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Ferner können die Zahnradlamellen Stanzteile, insbesondere Feinstanzteile sein. Besonders bevorzugt werden die Zahnradlamellen beim Ausstanzen auch in gewünschter Weise verformt, sodass die Zahnradlamellen als Biegestanzteile ausgebildet sind. Durch das nachfolgende Aufeinanderstapeln der Zahnradlameilen lassen sich auf diese Weise mit geringem Aufwand auch Zahnräder mit großer axialer Abmessung äußerst maßgenau herstellen.
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Die axiale Abmessung einer Zahnradlamelle beträgt vorzugsweise höchstens 10 mm, insbesondere höchstens 8 mm. Im Falle einer Blechausführung der Zahnradlamelle ist bei diesen Blechdicken ein maßgenaues Ausstanzen und Verformen der Zahnradlamellen problemlos möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform des Zahnrads weisen die Zahnradlamellen gleiche axiale Abmessungen auf. Im Falle einer Blechausführung der Zahnradlamellen muss in diesem Fall lediglich eine Blechstärke vorgehalten werden, was sich vorteilhaft auf den Herstellungsprozess und die Lagerhaltung auswirkt.
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Besonders bevorzugt sind zumindest die beiden oben genannten, benachbarten Zahnradlamellen geometrisch identisch, das heißt als Gleichteile ausgebildet. Durch die Verwendung von Gleichteilen lässt sich der Fertigungsaufwand bei der Herstellung des Zahnrads weiter reduzieren. Dabei kann das Zahnrad insbesondere symmetrisch bezüglich seiner axialen Mittenebene ausgebildet werden, wodurch sich für übliche Lastfälle eine sehr homogene Beanspruchung des Zahnrads ergibt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Zahnrads sind benachbarte Zahnradlamellen in ihrem Kontaktbereich stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden. Abhängig von den jeweiligen Randbedingungen und Beanspruchungen des Zahnrads können die einzelnen Zahnradlamellen beispielsweise verschweißt, verlötet, verklebt, verschraubt, vernietet oder verpresst sein, wobei auch Kombinationen dieser Verbindungsverfahren denkbar sind.
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Insbesondere kann ein Kontaktbereich, in dem die beiden axial benachbarten Zahnradlamellen unmittelbar aneinander anliegen, die Außenverzahnung sowie vorzugsweise einen radial einwärts der Außenverzahnung liegenden Abschnitt der Zahnradlamellen umfassen. Üblicherweise ist das Zahnrad im Bereich der Außenverzahnung hohen lokalen Beanspruchungen und Flächenpressungen in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse ausgesetzt. Durch die Anlage im Bereich der Außenverzahnung können sich die einzelnen Zahnradlamellen axial aneinander abstützen, wodurch die Gefahr eines Stabilitätsversagens einzelner Zahnradlamellen (Knicken, Beulen) minimiert wird.
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Alternativ sind jedoch auch Ausführungsvarianten denkbar, bei denen sich die zwei axial benachbarten, abschnittsweise unmittelbar aneinander anliegenden Zahnradlamellen in radialer Richtung zur Außenverzahnung hin axial voneinander entfernen und im Bereich der Außenverzahnung axial beabstandet sind. Gemäß dieser Ausführungsvariante lässt sich das Zahnrad besonders gut an die jeweiligen geometrischen Randbedingungen anpassen.
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Vorzugsweise erstreckt sich ein Kontaktbereich, in dem die beiden axial benachbarten Zahnradlamellen unmittelbar aneinander anliegen, wenigstens über etwa 50 % einer radialen Abmessung des Zahnrads, gemessen vom Kopfkreis der Außenverzahnung bis zum Rand der Aufnahmeöffnung. Mit zunehmender Anlagefläche der axial benachbarten Zahnradlamellen erhöht sich deren Stabilität in axialer Richtung, wobei ab etwa 50 % bereits sehr gute Stabilitätswerte erreicht werden.
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Ein maximaler axialer Abstand der beiden axial benachbarten, teilweise beabstandeten Zahnradlamellen entspricht bevorzugt wenigstens der axialen Abmessung einer der Zahnradlamellen, besonders bevorzugt etwa der Summe der axialen Abmessungen beider Zahnradlamellen. Durch Lamellenabstände in dieser Größenordnung wird der etwas erhöhte Fertigungsaufwand durch Vorteile wie den geringeren Materialverbrauch und die Gewichtsreduktion kompensiert, wobei der konkrete Lamellenabstand im Wesentlichen von den jeweiligen Randbedingungen, zum Beispiel in einem Getriebe, abhängt.
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Gemäß der Erfindung ist der die Aufnahmeöffnung begrenzende Rand des Zahnrads als Innenverzahnung ausgebildet. Diese Innenverzahnung ist beispielsweise eine Steckverzahnung zur drehfesten Lagerung des Zahnrads auf einer Welle. Infolge der abschnittsweise voneinander beabstandeten Zahnradlamellen vergrößert sich im Bereich der Aufnahmeöffnung eine axiale Außenabmessung des Zahnrads, sodass sich eine besonders kippsichere Lagerung auf der Welle ergibt. Die Innenverzahnung ist dabei vorzugsweise an beiden Zahnradlamellen ausgebildet, um eine besonders homogene Beanspruchung des Zahnrads zu erreichen. Zur drehfesten Lagerung auf einer Welle kann der die Aufnahmeöffnung begrenzende Rand des Zahnrads alternativ auch als Viereck oder Polygon ausgebildet oder mit einer Passfeder versehen sein.
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Das Zahnrad ist gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Parksperrenrad eines Kraftfahrzeugs. Das Parksperrenrad ist Teil einer allgemein bekannten Parksperre, welche zum Beispiel das Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeugs mechanisch sperren kann, um in der Parkposition eine Sicherung des Fahrzeugs gegen Wegrollen zu bewirken.
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In seiner Ausführung als Parksperrenrad ist die radiale Außenverzahnung dabei vorzugsweise als Klinkenverzahnung für eine Sperrklinke ausgebildet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 einen schematischen Ausschnitt eines Kraftfahrzeuggetriebes mit einem herkömmlichen Zahnrad gemäß dem Stand der Technik;
- - 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Zahnrad für das Kraftfahrzeuggetriebe gemäß 1; und
- - 3 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zahnrads für das Kraftfahrzeuggetriebe gemäß 1.
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Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Kraftfahrzeuggetriebe 10 im Bereich einer Parksperre 12, wobei unter anderem eine um eine Achse A drehbare Getriebewelle 14 sowie ein Zahnrad 16 dargestellt ist. Das Zahnrad 16 ist im vorliegenden Fall ein sogenanntes „Losrad“, welches drehbar und axial unverschieblich auf der Getriebewelle 14 sitzt und einer Gangstufe des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist.
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Die Parksperre 12 des Kraftfahrzeuggetriebes 10 umfasst gemäß 1 ein weiteres Zahnrad 18', welches auch als Parksperrenrad bezeichnet wird und drehfest auf der Getriebewelle 14 gelagert ist. Das Parksperrenrad weist eine radiale Innenverzahnung 20' auf, welche in eine Wellenverzahnung 22 eingreift, um das Parksperrenrad formschlüssig und drehfest mit der Getriebewelle 14 zu verbinden.
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Ferner weist das Parksperrenrad eine radiale Außenverzahnung 24' auf, wobei diese Außenverzahnung 24' als Klinkenverzahnung für eine Sperrklinke (nicht dargestellt) ausgebildet ist. Die Sperrklinke greift in einer Parkposition des Kraftfahrzeugs in die Klinkenverzahnung des Parksperrenrads ein, wodurch das Kraftfahrzeuggetriebe 10 mechanisch gesperrt und das Fahrzeug entsprechend gegen Wegrollen gesichert wird.
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Das als Parksperrenrad dienende Zahnrad 18' ist gemäß 1 aus einem Schmiederohling hergestellt, der spanend bearbeitet wurde, um die radial äußere Klinkenverzahnung sowie die radial innere Steckverzahnung auszubilden. Eine derartige Herstellung des Zahnrads 18' ist fertigungstechnisch aufwendig und teuer.
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Demgegenüber zeigt die 2 einen Schnitt durch ein Zahnrad 18 mit einer Achse A, um die das Zahnrad 18 verdreht werden kann, einer radialen Außenverzahnung 24 und einer radial inneren Aufnahmeöffnung 26, wobei das Zahnrad 18 zusammengesetzt ist aus mehreren axial aufeinandergestapelten, koaxial angeordneten Zahnradlamellen 28, welche fest miteinander verbunden sind. Zwei axial benachbarte Zahnradlamellen 28 liegen dabei abschnittsweise flächig aneinander an, entfernen sich in radialer Richtung zur Aufnahmeöffnung 26 hin axial voneinander und sind im Bereich eines die Aufnahmeöffnung 26 begrenzenden Rands 30 axial beabstandet.
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Ein Kontaktbereich, in dem die beiden axial benachbarten Zahnradlamellen 28 unmittelbar aneinander anliegen, umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel die radiale Außenverzahnung 24 sowie einen radial einwärts der Außenverzahnung 24 liegenden Abschnitt der Zahnradlamellen 28.
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Dieser Kontaktbereich erstreckt sich wenigstens über etwa 50 % der radialen Breite des Zahnrads 18, gemessen vom Kopfkreis der Außenverzahnung 24 bis zum Rand 30 der Aufnahmeöffnung 26. Aufgrund dieses großen Kontaktbereichs ist eine ausreichende Stabilität der einzelnen Zahnradlamellen 28 sowie des Zahnrads 18 in axialer Richtung sichergestellt.
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Die axial benachbarten Zahnradlamellen 28 sind in ihrem Kontaktbereich stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden, was in 2 durch zwei Schweißpunkte 32 angedeutet ist. Alternativ oder zusätzlich zu einer Verschweißung können die Zahnradlamellen 28 jedoch auch verlötet, verklebt, verschraubt und/oder vernietet sein. Außerdem ist vorstellbar, dass in den Zahnradlamellen 28 axiale Ausstellungen sowie komplementäre Vertiefungen vorgesehen sind, sodass benachbarte Zahnradlamellen 28 in axialer Richtung formschlüssig aufeinander gesteckt werden können. Optional bilden die Ausstellungen und Vertiefungen zusätzlich eine Presspassung aus, um die Zahnradlamellen 28 axial zu sichern.
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Die Zahnradlamellen 28 gemäß 2 sind Blechlamellen, die als separate (Fein-)Stanzteile hergestellt werden, wobei bereits beim Stanzvorgang die fertige Geometrie der radialen Außenverzahnung 24 sowie einer optionalen, radialen Innenverzahnung 20 ausgebildet wird. Idealerweise ist dadurch keine spanende Nachbearbeitung des Zahnrads 18 mehr notwendig, ausgenommen eventuell eines Entgratungsvorgangs.
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Besonders bevorzugt werden die Zahnradlamellen 28 während des Stanzvorgangs auch in geeigneter Weise verformt, sodass die Zahnradlamellen 28 letztlich Biegestanzteile sind. Nach der Verformung erstrecken sich die Zahnradlamellen 28 nicht mehr in einer Ebene senkrecht zur Achse A, sondern sind axial gewölbt.
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Damit sich die Zahnradlamellen 28 mit geringem Aufwand als Stanz- bzw. Biegestanzteile herstellen lassen, beträgt die axiale Abmessung x einer Zahnradlamelle 28 höchstens 10 mm, insbesondere höchstens 8 mm.
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Gemäß 2 sind die axialen Abmessungen x der Zahnradlamellen 28 gleich, sodass zur Herstellung des Zahnrads 18 lediglich eine Blechstärke vorgehalten werden muss und sich der Aufwand für die Lagerhaltung entsprechend verringert.
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Ein maximaler axialer Abstand d der beiden axial benachbarten, teilweise beabstandeten Zahnradlamellen 28 des Zahnrads 18 entspricht bevorzugt wenigstens der axialen Abmessung x einer der Zahnradlamellen 28 und liegt gemäß 2 etwa in der Größenordnung der Summe der axialen Abmessungen x beider Zahnradlamellen 28.
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Um den Herstellungsaufwand für das Zahnrad 18 weiter zu reduzieren, sind die Zahnradlamellen 28 gemäß 2 geometrisch identisch ausgebildet. Das Zahnrad 18 ist dementsprechend symmetrisch zu seiner axialen Mittenebene E ausgebildet, wodurch sich bei üblichen Lastfällen eine besonders homogene Beanspruchung des Zahnrads 18 ergibt.
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Gemäß 2 ist der die Aufnahmeöffnung 26 begrenzende Rand 30 des Zahnrads 18 als radiale Innenverzahnung 20 ausgeführt, wobei die Innenverzahnung beispielsweise eine Steckverzahnung zur drehfesten Lagerung des Zahnrads 18 auf der Getriebewelle 14 ist. Konkret ist die Innenverzahnung 20 an beiden Zahnradlamellen 28 ausgebildet, wodurch sich bei üblichen Lastfällen eine besonders homogene Beanspruchung des Zahnrads 18 ergibt.
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Das in 2 dargestellte Zahnrad 18 ist zum Beispiel ein Parksperrenrad eines Kraftfahrzeugs und lässt sich problemlos in der Parksperre 12 des Kraftfahrzeuggetriebes 10 gemäß 1 einsetzen. In diesem Fall ist die radiale Außenverzahnung 24 dann als Klinkenverzahnung für eine Sperrklinke der Parksperre 12 ausgebildet.
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Abhängig von der gewünschten axialen Außenabmessung kann das Zahnrad 18 aus genau zwei Zahnradlamellen 28 oder aus mehr als zwei Zahnradlamellen 28 zusammengesetzt sein.
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In 2 ist ein aus zwei identischen Zahnradlamellen 28 zusammengesetztes Zahnrad 18 mit durchgezogenen Linien dargestellt, während Optionen für weitere Zahnradlamellen 34 gestrichelt angedeutet sind. Die weiteren Zahnradlamellen 34 können dabei entweder vollflächig an ihren axial benachbarten Zahnradlamellen 28 anliegen (2, rechts) oder nur abschnittsweise flächig an ihren axial benachbarten Zahnradlamelle 28 anliegen und im Bereich des die Aufnahmeöffnung 26 begrenzenden Rands 30 axial von den axial benachbarten Zahnradlamellen 28 beabstandet sein (2, links).
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Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des aus Zahnradlamellen 28 zusammengesetzten Zahnrads 18, welche sich von der Ausführungsform gemäß 2 lediglich dadurch unterscheidet, dass sich die beiden axial benachbarten, abschnittsweise unmittelbar aneinander anliegenden Zahnradlamellen 28 in radialer Richtung zusätzlich auch zur Außenverzahnung 24 hin axial voneinander entfernen und im Bereich der Außenverzahnung 24 axial beabstandet sind. Dadurch lässt sich das Zahnrad 18 an seinem radialen Außenrand ebenfalls besonders gut an die jeweiligen geometrischen Randbedingungen anpassen.
