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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kettenrad mit einem Zahnkranz und einem Radkörper mit Befestigungsöffnung, insbesondere für einen Verbrennungsmotor.
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Im Automobilbereich werden Kettenräder z. B. als Bestandteile eines Steuerkettentriebes an der Kurbelwelle und den Nockenwellen verwendet. Auch Nebenaggregate werden zuweilen mit Kettenrädern und Ketten angetrieben. Derartige Kettentriebe sind hochdynamische Getriebe, die an der Grenze ihrer Belastung arbeiten. Ein Versagen dieser Bauelemente führt in aller Regel zu einem großen Schaden am Verbrennungsmotor. In vielen Fällen werden bevorzugt Stahlwerkstoffe eingesetzt, da diese aufgrund der geringen Kosten und der Wärmebehandlungsmöglichkeiten den hohen Betriebsanforderungen und dem Kostendruck in der Massenherstellung gerecht werden. Insbesondere aufgrund von gesetzlichen Vorgaben bestehen seit einigen Jahren intensive Bestrebungen, den CO2-Ausstoß der Verbrennungsmotoren zu reduzieren. Gängige Maßnahmen hierzu sind die Reibungsreduktion und die Gewichtsreduktion. Es ist demnach bekannt, in Kettenrädern zusätzlich zur meist zentral angeordneten Befestigungsöffnung Bohrungen bzw. Öffnungen einzubringen, die schon für eine gewisse Gewichtsreduktion sorgen. Zu bedenken in diesem Zusammenhang ist auch, dass Verformungen des Zahnkranzes im Betrieb unerwünscht sind und einen Einfluss auf die Synchronisation eines Steuertriebes haben können.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kettenrad der eingangs genannten Art bereitzustellen, das eine verbesserte gewichtsparende Konstruktion aufweist.
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Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Radkörper zumindest in einem ringförmigen Abschnitt gegenüber dem Zahnkranz in der Dicke verjüngt ausgebildet ist und in diesem Abschnitt speichenförmige Stege im vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet sind und die Stege in zumindest einem Abschnitt verjüngt sind und im am Zahnkranz angebrachten Kopfbereich kerbarme Übergänge aufweisen. Eine solche, den üblicherweise geschlossenen Zahnkranz unterstützende Speichenkonstruktion, sorgt neben einer guten Stabilität auch für eine erhebliche Gewichtsreduktion. Die Kontur der speichenförmigen Stege mit ihrem verjüngten Abschnitt sorgt für eine optimierte Kraftübertragung im ringförmigen Abschnitt und für eine ausreichende Unterstützung des Zahnkranzes, so dass sich dieser nur in dem gewünschten Toleranzbereich verformen kann. Einen beträchtlichen Anteil an der Gewichtsreduktion hat der in der Dicke reduzierte ringförmige Abschnitt, wodurch auch die speichenförmigen Stege zumindest in ihrem mittleren Abschnitt eine entsprechende geringere Dicke aufweisen. Die kerbarmen Übergänge im Kopfbereich sorgen für eine ausreichende Dauerfestigkeit. Für die Ausformung der kerbarmen Übergänge eignet sich die Methode der Zugdreiecke. Bevorzugt kann ein mittlerer Abschnitt des Stegs verjüngt sein.
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Aus Gründen der besseren Führung auf einer Welle kann gemäß einer Variante der Radkörper einen die Befestigungsöffnung aufweisenden Nabenabschnitt umfassen, der dicker ist als der ringförmige Abschnitt, wobei der ringförmige Abschnitt zwischen dem Zahnkranz und den Nabenabschnitt angeordnet ist. Der gewichtsreduzierende ringförmige Abschnitt erstreckt sich somit nur über einen gewissen Abschnitt des Radius des Kettenrades, ohne dass eine Führungsfunktion des Zahnkranzes und des Nabenabschnitts verloren geht, und dennoch eine beträchtliche Gewichtseinsparung zu erzielen ist. Der Nabenabschnitt kann auch als einseitig vorstehender Durchzug der Befestigungsöffnung erzeugt werden. Zusätzlich können Öffnungen im Nabenabschnitt oder in dem ringförmigen Abschnitt auch mit gegenläufigem Durchzug hergestellt werden, so dass eine gewünschte Abstütztung auch auf dieser Seite zu erzielen ist.
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Im günstigsten Fall ist jedem Zahn des Kettenrades ein speichenförmiger Steg zugeordnet, so dass in den jeweiligen Zahn eingeleitete Kräfte in einen diesen unterstützenden speichenfömigen Steg einleitbar sind. Allerdings können beträchtliche Vorteile schon dann erzielt werden, wenn die Anzahl der Stege mindestens 50% der Anzahl der Zähne beträgt.
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Darüber hinaus können die Stege im am Nabenabschnitt angebrachten Fußbereich ebenfalls kerbarme Übergänge aufweisen, so dass auch die Anbindung an den Nabenabschnitt den im Betrieb auftretenden hohen dynamischen Belastungen gerecht wird. Auch hier eignet sich wieder die Methode der Zugdreiecke zum Gestalten der Übergänge. Der Nabenabschnitt kann bevorzugt eine zylindrische Außenkontur und der Zahnkranz eine zylindrische Innenkontur aufweisen.
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Je nach Belastungsart kann es von Vorteil sein, wenn die Mitte des Kopfbereiches und die Mitte des Fußbereiches eines Steges einen Verdrehversatz um einen Winkel α aufweisen. Die Länge des Kopfbereiches und des Fußbereiches werden in Rotationsrichtung des Kettenrades gemessen und dann die jeweiligen Mitten bestimmt. Kettentriebe können an den jeweiligen Kettenrädern unterschiedliche Umschlingungswinkel aufweisen. Der Verdrehversatz kann hier entsprechend der Kräfteanleitung und der Drehrichtung des Kettenrades angepasst werden. Hierzu ist z. B. gemäß einer weiteren Variante vorgesehen, dass das Kettenrad ein im Betrieb vorbestimmte Drehrichtung aufweist und der Drehversatz derart ist, dass die Fußbereiche den Kopfbereichen in Drehrichtung vorlaufen. Bei einer Variante ist es z. B. günstig, wenn der Winkel α mindestens 5°, bevorzugt mindestens 8°, beträgt.
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Eine weitere günstige Ausgestaltung sieht vor, dass die Breite des Kopfabschnittes und die Breite des Fußabschnittes maximal 10% voneinander abweichen und die Verjüngung des mittleren Abschnitts gegenüber dem Kopfabschnitt oder dem Fußabschnitt mindestens 30%, bevorzugt mindestens 40%, und weiter bevorzugt mindestens 50% beträgt. Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn sich die Fußabschnitte unmittelbar aneinander anreihen, während die Kopfabschnitte einen entsprechenden Abstand zueinander aufweisen. Der Zahnkranz sollte dann eine Höhe, abzüglich der Zahnhöhe aufweisen, die ca. dem 0,25-fachen bis 0,35-fachen der Höhe des ringförmigen Abschnittes beträgt.
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Damit eine wesentliche Gewichtsreduzierung erzielt werden kann, ist bei einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die Höhe des ringförmigen Abschnitts mindestens 25%, bevorzugt mindestens 30% des Radius des Radkörpers entspricht.
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Damit bevorzugt ein einheitliches Ausgangsmaterial, z. B. ein Blechmaterial, verwendet werden kann, sind bevorzugt die Dicke des Zahnkranzes und die Dicke des Nabenabschnittes im Wesentlichen gleich.
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Ein wesentlicher Aspekt der Gewichtsreduktion stellt die Dicke des ringförmigen Abschnittes dar. Bei einer Variante ist hierzu vorgesehen, dass die Dicke des ringförmigen Abschnittes höchstens 70%, bevorzugt höchstens 60% der Dicke des Zahnkranzes oder des Nabenabschnittes beträgt. Hierbei wird auf die dünnste Dicke abgestellt. Der ringförmige Abschnitt kann über einen Großteil seiner Höhe (bevorzugt 90%) eine gleichmäßige Dicke aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass insbesondere im Kopfabschnitt und Fußabschnitt auch eine Optimierung des kerbarmen Übergangs in Dickenrichtung vorhanden ist bzw. der gesamte speichenförmige Steg (ausgehend von seinem dünnsten, bevorzugt mittleren Bereich, zum Fuß- bzw. Kopfbereich hin) immer dicker werdend ausgestaltet ist.
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Bei einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung kann die Befestigungsöffnung koaxial zur Kettenradachse im Nabenabschnitt angeordnet sein, wobei im Nabenabschnitt um die Befestigungsöffnung weitere Öffnungen zur Befestigung und/oder Gewichtsreduktion angeordnet sind. Als Befestigungsöffnung eignen sich z. B. bogenförmige Langlöcher, während die weiteren, ausschließlich der Gewichtsreduktion dienenden Öffnungen bevorzugt kreisförmig ausgestaltet sind, wodurch diese kerbarm sind. Die Öffnungen können auch in dem ringförmigen Abschnitt angeordnet und mit einem Durchzug versehen sein, z. B. wenn die Nabe mittels eines Durchzugs der Befestigungsöffnung in die entgegengesetzte Richtung geformt ist.
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Eine massentaugliche Herstellungsmöglichkeit eines solchen Kettenrades in ausreichender Präzision ist durch eine weitere Variante gegeben. Bei dieser sind die parallel zur Kettenradachse verlaufenden Außen- und Innenkonturen des Kettenrades mittels eines Stanzvorgangs, bevorzugt Feinstanzvorgangs und/oder eines Umform- bzw. Urformvorgangs hergestellt. Mittels Feinstanzen oder z. B. Sintern lassen sich sehr gute Oberflächenqualitäten mit hoher Präzision erzeugen, wodurch sich dieses Verfahren für die kostengünstige Massenproduktion derartiger Kettenräder sehr gut eignet.
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Des Weiteren kann der Querschnitt des Kettenrades senkrecht zur Kettenradachse innerhalb seiner Außenkontur zumindest 30% offene Bereiche aufweisen. Unter offenen Bereichen sind hier insbesondere die Öffnungen zwischen den speichenförmigen Stegen, die Befestigungsöffnung und gegebenenfalls die weiteren Öffnungen zur Befestigung und/oder Gewichtsreduktion gemeint. Die Lücken zwischen den Zähnen definieren die Außenkontur und zählen bei dieser Betrachtung nicht hinzu.
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Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung eines Kettenrades nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für einen Verbrennungsmotor, insbesondere als Nocken- und/oder Kurbelwellenkettenrades und/oder Nebenaggregatrades. Die Bestrebungen bei derartigen Kettenrädern bestanden bislang hauptsächlich darin, Dämpfungsmechanismen für den Einlauf der Kette bereitzustellen. Hinsichtlich einer Gewichtsreduktion waren im Wesentlichen nur einfache Bohrungen bekannt, weil aus Stabilitätsgründen und im Hinblick auf die Dauerfestigkeit eine massive Struktur bevorzugt wurde. Die Erfindung geht hier einen anderen Weg.
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Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Kettenrades nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Rohlings, Formen einer Verzahnung einschließlich Feinstanzen, Formen eines in der Dicke verjüngten ringförmigen Abschnitts, Einformen von speichenförmigen Stegen in vorgegebenem Abstand zueinander in dem verjüngten ringförmigen Abschnitt, wobei die Stege in ihrem mittleren Abschnitt verjüngt sind und im am Zahnkranz angebrachten Kopfbereich kerbarme Übergänge aufweisen, einschließlich Feinstanzen der Stege.
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Das hier beschriebene Verfahren lässt sich in einem Folgeverbundwerkzeug mit großer Präzision durchführen und eignet sich für die Massenherstellung von leichtgewichtigen Kettenrädern sehr gut. Ein wesentlicher Bestandteil ist das Verjüngen des ringförmigen Abschnitts, was in aller Regel symmetrisch erfolgt, damit dieser Abschnitt den Zahnkranz mittig abstützt und bei vorhandener Nabe auch die Kräfte in diese mittig einleitet. Der ringförmige Abschnitt steht daher mit seiner nach außen weisenden Fläche bevorzugt weder an der Vorderseite noch an der Rückseite des Kettenrades über den Zahnkranz über.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Kettenrades und
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2 eine Schnittdarstellung des Kettenrades aus 1 entlang der Linie II-II geschnitten.
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Das Kettenrad 1 besteht aus einem Stahlwerkzeug (z. B. 16MnCr5) und weist im vorliegenden Fall 40 Zähne 2 auf. Die Anzahl der Zähne 2 ist selbstverständlich abhängig von den Übertragungsverhältnissen und Übersetzungsverhältnissen. Das Kettenrad 1 wird im vorliegenden Fall als Nockenwellenkettenrad eines Verbrennungsmotors eingesetzt. Andere Verwendungsmöglichkeiten, insbesondere an einem Verbrennungsmotor sind selbstverständlich möglich. Ein solches Kettenrad 1 ist hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt und arbeitet an der Grenze des Machbaren. im Hinblick auf zu erzielende CO2-Reduktionen soll das Kettenrad 1 in Leichtbauweise, aber dennoch ausreichend stabil und dauerfest, konstruiert sein.
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Das Kettenrad 1 weist einen Zahnkranz 3 mit dem am Umfang angeordneten Zähnen 2 auf. Der Zahnkranz 3 ist als geschlossener Ring ausgeformt. Im Inneren des Zahnkranzes 3 ist ein Radkörper 4 ausgeformt, der einen verjüngten ringförmigen Abschnitt 5 und einen daran anschließenden zylinderförmigen Nabenabschnitt 6 umfasst.
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Der ringförmige Abschnitt 5 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel 20 speichenförmige Stege 7 auf, die den Zahnkranz 3 mit dem Nabenabschnitt 6 verbinden. Zwischen den Stegen 7 befinden sich die Aussparungen 8. Die Höhe HS der Stege und somit auch des ringförmigen Abschnitts 5 entspricht im vorliegenden Fall etwas mehr als 30% des Radius rR des Radkörpers 4. Die Stege 7 weisen einen mit dem Zahnkranz 3 verbundenen Kopfbereich 9 und einen mit dem Nabenabschnitt 6 verbundenen Fußbereich 10 auf. Der Kopfbereich 9 weist eine Breite BK und der Fußbereich 10 eine Breite BF auf. Die Breiten BK und BF sind im Wesentlichen gleich. Die Stege 7 umfassen einen verjüngten mittleren Abschnitt 11, der eine Breite BM aufweist, die um mindestens 50% kleiner ist als die Breite BF oder BM. Der Kopfbereich 9 weist kerbarme Übergänge zur Innenseite des Zahnkranzes 3 auf. In gleicher Weise umfasst der Fußbereich 10 kerbarme Übergänge zur Umfangsfläche des Nabenabschnitts 6. Die kerbarmen Übergänge sind nach der Methode der Zugdreiecke konstruiert.
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Der ringförmige Abschnitt 5 hat eine Dicke DS, die weniger als 60% der Dicke DN des Nabenabschnitts 6 entspricht. Im vorliegenden Fall sind die Dicke DN des Nabenabschnitts 6 und die Dicke DZ des Zahnkranzes 3 im Wesentlichen identisch, weshalb ein entsprechendes Verhältnis zur Dicke DS hier ebenfalls gilt. Die Verjüngung des ringförmigen Abschnitts 5 erfolgt symmetrisch, so dass die Stege 7 symmetrisch zu einer Mittellinie MK des Kettenrades 1 ausgestaltet sind. Der Einzug des ringförmigen Abschnitts 5 ist auf beiden Seiten daher gleich.
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Die Stege 7 verlaufen schräg. Daher haben die Mitte eines Kopfbereichs 9 und die Mitte eines Fußbereichs 10 einen Verdrehversatz um einen Winkel α, der im vorliegenden Fall ca. 10° beträgt. Das Kettenrad 1 weist im Betrieb eine vorgegebene Drehrichtung R auf, die eine Drehung im Uhrzeigersinn vorgibt. Daher laufen die Fußbereiche 10 den Kopfbereichen 9 um den Winkel α in Drehrichtung R voraus.
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Durch die Ausgestaltung der Stege 7 ergibt sich eine daran angepasste Gestaltung der Aussparung 8. Die Aussparung 8 berührt mit einer abgerundeten Spitze 12, die dem kerbarmen Übergang der angrenzenden Stege 7 folgt, den Außenumfang des Nabenabschnitts 6. Auf der gegenüberliegenden Seite folgt die Aussparung 8 der Innenfläche des Zahnkranzes 3.
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Der Nabenabschnitt 6 weist eine zentrale Befestigungsöffnung 13 zum Einführen einer Welle sowie darum gruppierte Anbringöffnungen 14 und zylindrische Öffnungen 15 auf. Die Anbringöffnungen 14 sind kreisbogenförmige Langlöcher, die der Befestigung und Ausrichtung z. B. mittels Schrauben dienen. Die Öffnungen 15 dienen einer weiteren Gewichtsreduktion.
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Aufgrund der Aussparungen 8 zwischen den Stegen 7 und der Öffnungen 15 sowie des verjüngten ringförmigen Abschnitts 5 mit der Dicke DS ergibt sich eine beträchtliche Gewichtsreduktion, die gegenüber einem gleichmäßig dicken Kettenrad ohne Aussparungen 8 und ohne Verwendung eines verjüngten ringförmigen Abschnitts 5 mindestens 30% beträgt. Die hier gewählte Struktur des Kettenrades 1 ist darüber hinaus an dynamische Belastungen optimiert und weist nur ein geringes, zulässiges Verformungsverhalten im Betrieb auf. Massenkräfte sind verringert und der CO2-Ausstoß kann mit einer solchen Maßnahme ebenfalls reduziert werden.
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Für die Herstellung des Kettenrades 1 eignet sich neben der Sintertechnik insbesondere die Umform- und Stanztechnik, insbesondere das Feinstanzen. Das Kettenrad lässt sich aus einem Rohling in einem Folgeverbundwerkzeug im Durchlauf herstellen. Die Funktionsflächen, wie Zahnflanken, die Aussparungen 8 und Öffnungen 13, 14, 15 im Nabenabschnitt 6 werden abschließend mittels Feinstanzen mit einer hohen Oberflächengüte und sehr guten Maßhaltigkeit versehen. Auch das Einbringen der Verjüngung im ringförmigen Abschnitt 5 lässt sich im Durchlaufprozess erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kettenrad
- 2
- Zähne
- 3
- Zahnkranz
- 4
- Radkörper
- 5
- ringförmiger Abschnitt
- 6
- Nabenabschnitt
- 7
- Stege
- 8
- Aussparungen
- 9
- Kopfbereich
- 10
- Fußbereich
- 11
- mittlerer Abschnitt
- 12
- abgerundete Spitze
- 13
- Befestigungsöffnung
- 14
- Anbringöffnunge
- 15
- Öffnung
- A
- Kettenradachse
- BF
- Breite Fußabschnitt
- BK
- Breite Kopfabschnitt
- BM
- Breite mittlerer Abschnitt
- DN
- Dicke Nabenabschnitt
- DS
- Dicke ringförmiger Abschnitt
- DZ
- Dicke Zahnkranz
- HS
- Höhe ringförmiger Abschnitt
- MK
- Mittellinie Kettenrad
- R
- Drehrichtung
- rR
- Radius Radkörper
