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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnrad für eine Ausgleichswelle und eine Ausgleichswelle.
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Ausgleichswellen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und dienen in Fahrzeugen dazu, freie Massenkräfte eines Motors, insbesondere eines Hubkolbenmotors, zu reduzieren oder zu beseitigen, um so etwaige Betriebsgeräusche und Vibrationen zu mindern. Dazu werden Unwuchten, vorzugsweise in Form von exzentrischen Gewichten, an der Ausgleichswelle angebracht bzw. ausgeformt. Die dadurch erzeugten Massenkräfte wirken denjenigen eines Kurbeltriebs entgegen. Die Ausgleichswellen werden hierbei durch Zahnräder synchron angetrieben.
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In Hinblick auf eine generell gewünschte Gewichtsreduktion von Fahrzeugkomponenten, wäre es von Vorteil, ein Zahnrad bereitstellen zu können, das auf der einen Seite im Vergleich zu den Zahnrädern aus dem Stand der Technik leichter ist und auf der anderen Seite den zu erwartenden Belastungen standhält.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2015 009 051 A1 ist ein Hybridzahnrad bekannt, das aus einem Zahnradkranz und einem Zahnradkern besteht, wobei der Zahnradkranz und der Zahnradkern aus unterschiedlichen Metallen gefertigt sind.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Zahnrad für eine Ausgleichswelle bereitzustellen, das gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten gewichtsreduziert ist, ohne dass die Stabilität des Zahnrads unter den auf Dauer im Einsatz zu erwartenden Belastungen gefährdet ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Zahnrad gemäß Anspruch 1, durch eine Ausgleichswelle gemäß Anspruch 10 und ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads gemäß Anspruch 11. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß ist ein Zahnrad für eine Ausgleichswelle vorgesehen, wobei das Zahnrad einen Zahnradkranz und einen Zahnradkern aufweist, wobei der Zahnradkranz aus einem ersten Metall und der Zahnradkern aus einem zweiten Metall gefertigt ist, wobei das zweite Metall eine geringere Dichte als das erste Metall aufweist, wobei der Zahnradkern und der Zahnradkranz an einer Innenseite des Zahnradkranzes miteinander verpresst sind, wobei das Zahnrad zur Ausbildung eines zusätzlichen Formschlusses zwischen dem Zahnradkranz und dem Zahnradkern Formschlusselemente aufweist, wobei in einer Umlaufrichtung entlang der Innenseite des Zahnradkranzes gesehen ein Abstand zwischen zwei benachbarten Formschlusselementen größer ist als eine Erstreckung des Formschlusselements entlang der Umlaufrichtung.
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Gegenüber dem Stand der Technik erweist sich die gezielte Einstellung eines durch das Verpressen bedingten Kraftschlusses und eines Formschlusses zwischen dem Zahnradkern und dem Zahnradkranz als besonders vorteilhaft für deren dauerhafte Verbindung. Dabei lässt sich in vorteilhafter Weise das Verhältnis der Beiträge zum Formschluss und zum Kraftschluss durch den Abstand zwischen den zwei benachbarten Vorsprüngen einstellen bzw. beeinflussen, insbesondere an Bedingungen anpassen, die vom jeweiligen Einsatzfeld an das Zahnrad gestellt werden. Durch die Auswahl des ersten Metalls und des zweiten Metalls lässt sich dabei insbesondere eine Gewichtsreduktion von mehr als 30 % realisieren. Beispielsweise erlaubt die erfindungsgemäße Ausgestaltung es, ein Hybridzahnrad bereitzustellen, das einen möglichst geringen Einfluss nimmt auf die Auslegung der Ausgleichswelle hinsichtlich dessen Unwucht. Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten Metall um einen Stahl, insbesondere einen gehärteten und/oder gesinterten Stahl, und bei dem zweiten Metall um ein Leichtmetall, wie z. B. Aluminium oder Magnesium. Weiterhin erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass die im Einsatz des Zahnrads besonders beanspruchten Zähne des Zahnradkranzes aus einem belastbaren Metall, beispielsweise einem gesinterten Stahl gefertigt sind. Hierbei ist es besonders vorzugsweise vorgesehen, dass die sich in radialer Richtung erstreckende Breite des Zahnradkranzes abhängig von den zu erwartenden Belastungen dimensioniert wird bzw. ist. Hierbei ist es für Ausgleichswellen besonders vorteilhaft, wenn die Breite des Zahnradkranzes in radialer Richtung gesehen mehr als doppelt so groß ist wie die Höhe der einzelnen Zähne des Zahnradkranzes in radialer Richtung gesehen. Insbesondere ummantelt der Zahnradkranz im gefertigten Zustand den Zahnradkern zumindest bereichsweise. Sofern die Formschlussmittel unterschiedliche Erstreckungen entlang der Umlaufrichtung aufweisen ist vorzugsweise deren Mittelwert maßgeblich. Grundsätzlich ist als ein Abstand bzw. Erstreckung entlang der Umlaufrichtung die Länge eines Kreisbogenabschnitts zu verstehen und die Ersteckung des Formschlussmittels wird beispielsweise an seiner breitesten Stelle bemessen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Formschlusselement oder die Formschlusselemente als Vorsprung an der Innenseite des Zahnradkranzes ausgebildet ist bzw. sind. Hierbei sind die Vorsprünge auf den Zahnradkern gerichtet. Durch die Verpressung des zweiten Metalls in die Bereiche zwischen die Vorsprünge, wirken die Vorsprünge in Umlaufrichtung gesehen formschlüssig mit dem Zahnradkern zusammen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Verbindung zwischen dem Zahnradkern und dem Zahnradkranz in deren Schnittstellbereich verstärkt. Gleichzeitig lässt die Beabstandung zwischen den einzelnen Vorsprüngen ein einfaches, gleichmäßiges und unkompliziertes Umformen zu. Vorzugsweise stehen die Vorsprünge maximal 0,5 bis 8 mm, bevorzugt zwischen 1 bis 6 mm oder besonders bevorzugt zwischen 1,5 und 5 mm von der Innenseite des Zahnradkranzes ab. Vorstellbar ist auch, dass die Vorsprünge alle gleich abstehen oder sich einzelne Vorsprünge hinsichtlich ihrer Abstehweite untereinander unterscheiden. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Vorsprünge angeschmiedet.
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Alternativ oder ergänzend ist es vorgesehen, dass das Formschlusselement als ein in eine Bohrung eingelassener Bolzen oder Spannfeder ausgebildet ist. Hierzu wird zunächst der Zahnradkranz mit dem Zahnradkern verpresst. Anschließend wird in den Schnittstellenbereich zwischen dem Zahnradkranz und dem Zahnradkern eine Aussparung, insbesondere in Form einer Bohrung, eingelassen. In diese Aussparung bzw. Bohrung können zur Ausbildung eines Formschlusses ein Bolzen oder eine Spannfeder eingelassen sein. Beispielsweise ist der Bolzen eine Niet, mit der ein weiterer Formschluss in axialer Richtung erzielt wird. Die Spannfeder ist bevorzugt ringförmig ausgestaltet und derart in der Aussparung verpresst bzw. vorgespannt, dass die Rückstellkraft gegen eine Innenwandung der Aussparung drückt und so innerhalb der Aussparung fixiert ist. Vorstellbar ist auch, dass verschiedene Formschlussmittel, insbesondere verschiedenartige Formschlussmittel, in einem Zahnrad realisiert sind.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Zahnradkern einen Hülsenbereich aufweist, wobei eine Innenseite des Hülsenbereichs konisch oder zylindrisch ausgestaltet ist. Über den Hülsenbereich lässt sich das Zahnrad auf die Ausgleichswelle schieben bzw. aufziehen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Zahnrad zu einer Seite hin in axialer Richtung mit der Stirnseite des Hülsenbereichs bzw. der Stirnseite des Zahnradkerns bündig abschließt. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Hülsenbereich auf einer dem bündigen Abschluss gegenüberliegenden Seite in axialer Richtung über den Zahnradkranz vorsteht. Beispielsweise erstreckt sich der Hülsenbereich entlang der axialen Richtung zwischen 3 bis 15-mal soweit wie der Zahnradkranz entlang der axialen Richtung. Zur Ausbildung einer Verbindung mit der Ausgleichswelle ist im Falle einer konisch verlaufenden Innenseite ein Abschlusselement, beispielsweise in Form einer Schraube, vorgesehen, die in axialer Richtung den Abschluss der Ausgleichswelle bildet. Dabei liegt das Abschlusselement vorzugsweise mit seinem Kragenelement am Hülsenbereich in axialer Richtung gesehen an.
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Zweckmäßig ist es vorgesehen, dass der Zahnradkern im Hülsenbereich, insbesondere an seiner Innenseite, ein Gewinde aufweist oder der Hülsenbereich an seiner Stirnseite oder seiner Mantelaußenseite einen oder mehrere Rücksprünge zur Aufnahme von Mitnehmern, beispielsweise in Form einer Hirth-Verzahnung, aufweist. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise eine drehfeste Anbindung zwischen dem Zahnrad und der Ausgleichswelle realisieren. Vorstellbar ist auch, dass die Rücksprünge ausgleichswellenseitig realisiert sind und die Mitnehmer zahnradseitig. Insbesondere ist das System aus Mitnehmer und Rücksprüngen für die Zahnräder mit einem zylinderförmigen Konturverlauf auf der Innenseite des Hülsenbereichs vorgesehen. Denkbar ist auch, dass die Ausgleichswelle und das Zahnrad ein System mit nur einem einzelnen Mitnehmer und einem Rücksprung aufweist. Im Falle eines konusförmigen Verlaufs der Innenseite des Hülsenbereichs ist insbesondere ein Gewinde an der Innenseite des Hülsenbereichs vorgesehen, über das das Zahnrad auf einen teilweise konisch verlaufenden Bereich der Ausgleichswelle auf- bzw. abgezogen werden kann.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Formschlussmittel gleichmäßig entlang der Innenseite des Zahnradkranzes verteilt sind, wobei insbesondere jeweils zwei Formschlussmittel an der Innenseite des Zahnradkranzes gegenüberliegend angeordnet sind. Insbesondere sind die Formschlussmittel derart ausgestaltet und/oder entlang der Umlaufrichtung derart angeordnet, dass sie die Unwucht der Ausgleichswelle nicht beeinflussen oder gezielt einen Beitrag zur Unwucht beisteuern, in dem die Formschlussmittel ungleichmäßig verteilt sind. Vorzugsweise ist für eine gleichmäßige Verteilung eine gerade Anzahl an Formschlussmitteln vorgesehen. Beispielsweise sind die Formschlussmittel in Umlaufrichtung gesehen alle 90°, alle 45° oder alle 22.5° angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Zahnradkranz an seiner Innenseite eine Anlaufschräge aufweist. Die Anlaufschräge unterstützt in vorteilhafter Weise das Verbinden des Zahnradkranzes und des Zahnradkerns beim Zusammenfügen. Beispielsweise ist die Anlaufschräge als Absatz stirnseitg umlaufend an der Innenseite ausgestaltet. Eine solche Anlaufschräge wirkt in vorteilhafter weise als Einpresshilfe beim Verpressen des Zahnradkerns und des Zahnradkranzes. Hierbei ist es vorstellbar, dass sich die Anlaufschräge vollständig entlang der Innenseite umlaufend erstreckt. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Anlaufschrägen in den Bereichen mit den Vorsprüngen, vorzugsweise ausschließlich in den Bereichen mit Vorsprüngen ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Anlaufschräge ein Teil des Vorsprungs an dessen Strinseite.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Abstand zwischen zwei in Umlaufrichtung zueinander benachbarten Formschlussmitteln 2 bis 10-mal, bevorzugt 3 bis 8-mal und besonders bevorzugt 4 bis 6-mal so groß ist wie die Erstreckung des Formschlussmittels entlang der Umlaufrichtung, insbesondere an der breitesten Stelle des Formschlussmittels entlang der Umlaufrichtung. Durch diese Beabstandung ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass der Zahnradkern zur Ausbildung eines wirksamen Kraftschlusses zwischen Zahnradkern und Zahnradkranzes entlang der Umlaufrichtung ausreichend in Anlage gerät mit der Innenseite des Zahnradkranzes.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorsprung einen gebogenen Konturverlauf, ein gebogener Konturverlauf der zum Zentrum spitz zusammenläuft oder ein dreieckähnlichen Konturverlauf, insbesondere auf seiner dem Zahnradkern zugewandten Seite, aufweist. Dadurch wird einer Spaltwirkung beim Verpressen des Zahnradkerns entgegengewirkt, die beispielsweise andernfalls bei einer spitz zusammenlaufenden Kontur des Vorsprungs auftreten könnte.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Zahnradkern im Hülsenbereich, insbesondere an der Außenseite des Hülsenbereichs, Aussparungen, beispielsweise in Form von axial verlaufenden Kanälen oder radial verlaufenden Löchern, aufweist. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise das Gesamtgewicht weiter reduzieren.
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Hierbei sind die Aussparungen und/oder Löcher vorzugsweise in Umlaufrichtung gesehen gleichmäßig verteilt, so dass keine zusätzliche Unwucht durch das Zahnrads veranlasst wird. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die axialverlaufenden Kanäle in Richtung des Zahnradkranzes verjüngen.
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Vorstellbar ist auch, dass das Verhältnis zwischen der radialen Erstreckung des Zahnradkranzes zu der radialen Erstreckung des Zahnradkerns abhängig von der zu erwartenden Belastung ausgestaltet ist. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise das Verhältnis zwischen der Materialzusammensetzung aus dem ersten Metall und dem zweiten Metall zur Gewichtsreduktion des gesamten Zahnrads möglichst optimal anpassen, ohne dass die Belastbarkeit des gefertigten Zahnrads gefährdet ist. Denkbar ist dabei auch, dass das Verhältnis zwischen der radialen Erstreckung des Zahnradkranzes zu der radialen Erstreckung des Zahnradkerns auf Grundlage von Erfahrungswerten festgelegt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das zusätzliche Formschlussmittel einen Formschluss in axialer Richtung und/oder in einer der Umlaufrichtung folgenden Richtung bildet. Beispielsweise weist der Zahnradkranz hierzu an seiner Innenseite einen Vorsprung auf, der sich in axialer Richtung gesehen nur bereichsweise erstreckt, beispielsweise nur 0,05 bis 0,2-mal soweit erstreckt wie die Gesamtausdehnung der Innenseite in axialer Richtung. Vorzugsweise umfasst der Zahnradkern eine zum Vorsprung komplementär ausgeformte Einbuchtung, in die der Vorsprung zur Ausbildung des axialen Formschlusses eingreifen kann.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Ausgleichswelle mit einem erfindungsgemäßen Zahnrad. Sämtliche für das erfindungsgemäße Zahnrad beschriebenen Merkmale und deren Vorteile lassen sich sinngemäß ebenfalls auf die erfindungsgemäße Ausgleichswelle übertragen und andersrum.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads. Sämtliche für das erfindungsgemäße Zahnrad beschriebenen Merkmale und deren Vorteile lassen sich sinngemäß ebenfalls auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen und andersrum. Hierbei ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Zahnrads vorgesehen, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Zahnradkranzes, vorzugsweise mittels einer Sintertechnologie, und eines Rohlings für den Zahnradkern
- - konzentrisches Anordnen des Rohlings innerhalb des Zahnradkranzes und
- - schmiedende Umformung des Rohlings zum Zahnradkerns,
wobei der Zahnradkern mit dem Zahnradkranz unter Ausbildung eines Kraftschlussbereichs und eines Formschlussbereichs, insbesondere im Bereich eines Formschlussmittels, miteinander verpresst werden.
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Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Rohling zur Ausbildung des Zahnradkerns kaltumgeformt wird. Vorzugsweise wirkt dabei eine axial auf den Rohling wirkende Kraft, insbesondere eine Kraft, die einem Gewicht von etwa 200 Tonnen entspricht. Die Herstellung des Zahnradkranzes mittels Sintertechnologie erweist sich hierbei als besonders kostengünstig.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass bei der schmiedenden Umformung ein äußerer Umfang des Rohrlings in radialer Richtung gesehen vergrößert wird. Dabei wird der Rohling insbesondere durch die axial wirkende Kraft derart gequetscht, dass das Material des Rohling in radialer Richtung verdrängt wird, bis das Material, d. h. das zweite Metall, unter Bildung eines Formschlusses mit der Innenseite des Zahnradkranzes in Anlage gerät.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in den Zahnradkern, welcher in den Zahnkranz durch Umformen verpresst wird, zur Bildung des Hülsenbereichs ein Hohlraum, insbesondere ein konischer oder zylinderförmiger Hohlraum, realisiert wird.. Hierbei wird der Hohlraum insbesondere zerspanend, beispielsweise durch einen Fräsvorgang, hergestellt. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Zahnradkranz in eine zur Außenseite des Zahnradkranzes komplementär ausgestaltete Fixierform eingesetzt wird. Insbesondere liegen die Zähne der Verzahnung an der Außenseite des Zahnradkranzes an der Fixierform flächig an. Dies wirkt in vorteilhafter Weise einer Schädigung der Verzahnung entgegen, die andernfalls bei dem entstehenden Belastungen beim Verpressen des Zahnradkerns mit dem Zahnradkranz entstehen können.
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In einer alternativen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Zahnradkranz als Ring, insbesondere Ring ohne Außenkontur, bereitgestellt wird, und zeitlich nach dem Verpressen des Zahnradkranzes mit dem Zahnradkern eine Außenkontur, insbesondere eine Verzahnung, am Zahnradkranz realisiert wird. Hierbei liegt der Ring beim Verpressen vorzugsweise an einer Fixierform ohne Innenkontur flächig an. Durch das nachträgliche Realisieren der Verzahnung kann mit Vorteil bei der zerspanenden Herstellung der Zähne ein möglichst exakter Rundlauf sichergestellt werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigt:
- 1: eine Ausgleichswelle mit einem Zahnrad gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
- 2: eine Schnittansicht des Zahnrads aus der 1
- 3 ein Zahnrad gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
- 4a und 4b eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Zahnrads gemäß der vorliegende Erfindung
- 5 ein Zahnrad gemäß einer zweiten weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine Ausgleichswelle 1 mit einem Zahnrad 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Solche Ausgleichswellen 1 dienen in Fahrzeugen dazu, die freien Massenkräfte eines Motors, insbesondere eines Hubkolbenmotors, zu reduzieren oder zu beseitigen, um so etwaige Betriebsgeräusche und Vibrationen zu mindern. Dazu werden Unwuchten, vorzugsweise exzentrische Gewichte, an der Ausgleichswelle angebracht oder ausgeformt. Die dadurch erzeugten Massenkräfte wirken denjenigen eines Kurbeltriebs entgegen. Die Ausgleichswellen 1 werden hierbei durch Zahnräder 10 synchron angetrieben. In der dargestellten Ausführungsform ist das Zahnrad 10 an einem Ende der Ausgleichswelle 1 angeordnet, insbesondere auf das Ende der Ausgleichswelle 1 aufgeschoben und drehfest mit der Ausgleichswelle 1 verbunden. Hierzu weist das Zahnrad 10 einen Hülsenbereich 14 auf, der sich vorzugsweise konzentrisch zum Außenumfang des Zahnrads 10 und sich axial erstreckt, wenn das Zahnrad an der Ausgleichswelle 1 montiert ist. Zur Aufnahme der Ausgleichswelle 1 stellt der Hülsenbereich 15 einen Hohlraum 14 bereit, der vorliegend konisch ausgeformt ist und im monierten Zustand in Richtung einer Stirnseite des Endes der Ausgleichswelle 1, über das das Zahnrad 10 auf die Ausgleichswelle 1 aufgesetzt ist, verjüngt. Zur Fixierung des Zahnrads 10 ist beispielsweise ein Abschlusselement 25, beispielsweise eine Schraube, vorgesehen, das über ein Gewinde mit dem Zahnrad 10 zusammenwirkt und die Ausgleichswelle 1 in axialer Richtung abschließt. In einer alternativen Ausführungsform ist es vorstellbar, dass das der Hülsenbereich 15 einen zylinderförmigen Hohlraum 14 bereitstellt. Zur drehfesten Verbindung mit der Ausgleichswelle 1 ist es dabei vorgesehen, dass das Zahnrad 10 und die Ausgleichwelle 1 über einen Mitnehmer miteinander verbunden sind. Beispielsweise weist der Hülsenbereich 15 an seine Stirnseite in axialer Richtung gesehen einen Rücksprung 42 oder mehrere Rücksprünge 42 auf, in die ein Mitnehmer eingreift, oder umgekehrt. Alternativ ist es vorstellbar, dass das Zahnrad an seiner Stirnseite eine Hirth-Verzahnung aufweist.
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Um das Gesamtgewicht des Zahnrads 10 zu reduzieren, ist es vorgesehen, dass das Zahnrad 10 einen Zahnradkranz 12 und einen Zahnradkern 11 umfasst, wobei der Zahnradkranz 11 ein erstes Metall und der Zahnradkern 12 ein zweites Metall aufweist. Hierbei ist die Dichte des zweiten Metalls geringer als die Dichte des ersten Metalls. Beispielsweise ist der Zahnradkranz 12 aus einem Stahl, vorzugsweise einem gesinterten und/oder gehärteten Stahl, gefertigt und der Zahnradkern 11 aus Aluminium oder Magnesium. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise gegenüber einem vollständig aus Stahl gefertigten Zahnrad 10 eine Gewichtsreduktion von mehr als 30 % erzielen. Zur Realisierung eines solchen Hybridzahnrads ist es insbesondere vorgesehen, dass der Zahnradkern 11 mit einer Innenseite 16 des Zahnradkranzes 12 verpresst ist. Dadurch lässt sich eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Zahnradkranz 12 und dem Zahnradkern 11 erzielen. Zusätzlich ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Zahnradkranz 12 an seiner Innenseite 16 Vorsprünge 17 aufweist, die radial auf ein Zentrum Z des Zahnradkranzes 12 gerichtet sind. Mittels dieser Vorsprünge 17 lässt sich zusätzlich zu dem Kraftschluss entlang der Innenseite 16 des Zahnradkranzes 12 ein Formschluss zwischen dem Vorsprung 17 und dem verpressten Zahnradkern 11 erzielen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine besonders stabile und dauerhafte Hybridverbindung geschmiedet. Dabei ist es vorgesehen, dass die Vorsprünge 17 sich gleichmäßig entlang der Innenseite 16 verteilen. Insbesondere ist in Umlaufrichtung U gesehen ein Abstand a zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen 17 größer als eine in Umlaufrichtung U bemessene Erstreckung e des Vorsprungs 17. Dadurch wird in dem Bereich zwischen zwei Vorsprüngen 17 eine ausreichend große Kontaktfläche für einen Kraftschluss bereitgestellt und gleichzeitigt lässt sich die Verbindung 17 durch den Formschluss verbessern. Beispielsweise ist in Umlaufrichtung gesehen alle 10°, alle 40°, alle 60°, alle 90° oder alle 120° ein Vorsprung 17 angeordnet.
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Zur Herstellung des Zahnrads 10 ist es vorgesehen, dass ein Zahnradkranz 12 und ein Zahnradkern 11 bereitgestellt werden. Der Zahnradkranz 12 wird vorzugsweise passgenau in eine komplementär zu der Verzahnung des Zahnradkranzes 12 ausgestaltete Fixierform eingesetzt, wobei die einzelnen Zähne eine Verzahnung 13 mit ihrem in Umlaufrichtung U erstreckenden Außenseite an der Innenseite der Fixierform flächig anliegen. Vorzugsweise ist die Fixierform dabei nicht exakt als Gegenkontur ausgestaltet, da durch ein komplettes Anliegen der Flächen ein Ausformen bzw. -werfen erschwert werden würde. Stattdessen weist die Fixierform eine Gegenkontur auf, die derart ausgestaltet ist, dass sich die Zähne innerhalb der Flanken an einem Teil der Fläche abstützen. Dies vereinfacht mit Vorteil die Entnahme aus der Fixierform. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Wahrscheinlichkeit für mögliche Schädigungen durch ein geringfügiges Aufweiten des Zahnkranzes, die beim späteren beim Einschmieden des Innenkerns entstehen könnten, reduziert. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass der Zahnkranz 12 zunächst als Ring bereitgestellt und nach dem Verbinden mit dem Zahnradkern 11 die Verzahnung realisiert wird. Bevorzugt ist dann eine entsprechende Fixierform vorgesehen, deren Anlagefläche strukturlos ist, um ein flächiges Anliegen der Außenkontur des Rings zu ermöglichen. Es hat sich dabei herausgestellt, dass sich durch das nachträglich zerspanende Herstellen der Außenkontur des Zahnkranzes 12 ein möglichst exakter Rundlauf gewährleistet werden kann. Konzentrisch zum Zahnradkranz 12 wird dabei ein Rohling innerhalb des Zahnradkranzes 12 angeordnet. Durch eine in axialer Richtung auf den Rohling wirkende Kraft, beispielsweise mit einer Kraft, die einem Gewicht von im Wesentlichen 200 t entspricht, wird der Rohling so kaltumgeformt, dass Material des Rohlings, d. h. des zweiten Metalls, in radialer Richtung gedrängt wird und eine formschlüssige Bindung mit den Vorsprüngen 17 und eine kraftschlüssige Verbindung mit den Bereichen zwischen den Vorsprüngen 17 ausbildet. Anschließend wird zur Ausbildung eines Hülsenbereichs 15 eine Bohrung zur Ausbildung eines Hohlraums 14 in den aus dem Rohling geformten Zahnradkern 11 eingelassen. Abschließend wird das gefertigte Zahnrad 10 an der Ausgleichswelle 1 drehfest fixiert. Mit Vorteil werden die Außenkonturen und/oder die Innenkonturen, wie z. B. die Verzahnung, die Vorsprünge und/oder ein Mitnehmer, am Zahnradkern und/oder Zahnradkranz ausgestanzt oder mittels eines Lasers, z.B. eines CO2-Lasers, ausgeschnitten, vorzugsweise aus einem Blech ausgeschnitten. Hierbei ist nur bei der Verzahnung eine Nachbearbeitung erforderlich. Vorteil einer solchen konturnahen Endfertigung ist die schnellere und werkzeugschonendere Endbearbeitung.
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In 2 ist das Zahnrad 10 aus der 1 in einer Draufsicht (oben) und in einer Schnittansicht (unten) dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Hülsenbereich 15 an seiner Innenseite 16 sowohl zylindrisch als auch konisch ausgeformt. Insbesondere ist eine durch den Hohlraum 14 des Hülsenbereichs 15 bereitgestellte erste Öffnung 31 auf der Seite mit dem Zahnradkranz 12 größer als die in axialer Richtung gesehen gegenüberliegende zweite Öffnung 32. Zudem ist der Hohlraum auf der der zweiten Öffnung 32 zugewandten Seite konusförmig ausgestaltet. Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Zahnradkranz 12 bündig mit der Stirnseite des Hülsenbereichs 15 bzw. des Zahnradkerns 11 abschließt. Ein Vorsprung 17 ist dabei im mit X gekennzeichnet Bereich zu finden. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Abstand a zwischen zwei in Umlaufrichtung U zueinander benachbarten Formschlussmitteln 2 bis 10 mal, bevorzugt 3 bis 8 und besonders bevorzugt 4 bis 6 mal so groß ist wie die Erstreckung e des Formschlussmittels entlang der Umlaufrichtung U, insbesondere an einer breitesten Stelle des Formschlussmittels entlang der Umlaufrichtung U.
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In der 3 ist ein Zahnrad 10 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei entspricht das Zahnrad 10 im Wesentlichen dem Zahnrad 10 aus 2. Zusätzlich zu den Merkmalen aus 2 ist in der Ausführungsform aus der 3 vorgesehen, dass im Hülsenbereich 15 zur weiteren Gewichtsreduktion Kanäle 21, insbesondere axial verlaufenden und zur Stirnseite Kanäle 21 eingelassen sind, welche vorzugsweise in axialer Richtung verjüngend ausgebildet sind. Vorzugsweise verlaufen die Kanäle 21 an der Außenseite des Hülsenbereichs.
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In den 4a und 4b ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads 10 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Hierzu ist es vorgesehen, dass der Zahnradkranz 12 in einer Fixierform 41 eingesetzt wird. In der Fixierform 41 liegt der Zahnradkranz 12 mit seiner Außenseite, insbesondere der Verzahnung 13, vorzugsweise vollständig umlaufend an der Innenseite der Fixierform 41 an, wodurch die Fixierform 41 die Verzahnung 13 bei der späteren Umformung bzw. dem späteren Verpressen unterstützt bzw. stützt. In der 4a ist ein Zustand illustriert, in dem ein ein Zahnradkern als Fertigteil entlang einer Einpressrichtung E in den Zahnradkranz 12, insbesondere in dessen durch seine Innenseite 16 begrenzten Hohlbereich, eingeführt wird. Hierbei erfolgt das Einschieben insbesondere über die Seite des Hohlbereichs bzw. des Zahnradkranzes 12, auf der eine Anlaufschräge 43 ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Anlaufschräge 43 in den Vorsprung 17 als Absatz integriert. Die 4b zeigt das Zahnrad 10 nach der Umformung des Zahnradkerns 11.Bei diesem Verfahren hat es sich als nachteilhaft herausgestellte, dass eine erforderliche Anlaufschräge die Einpressfläche minimiert und bereichsweise zu keiner kraftschlüssigen Anlage zwischen Innen- und Außenteil kommt. Demnach muss die Dimensionierung größer sein, um die gleiche Pressfläche zu erzielen wie mit dem Umformverfahren. Folge ist ein höheres Bauteilgewicht entsteht
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In der 5 ist ein Zahnrad 10 gemäß einer zweiten weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen von den vorangegangenen nur dahingehend, dass das Formschlussmittel nicht nur formschlüssig in einer parallel zur Umlaufrichtung verlaufenden Richtung den Zahnradkern 11 fixiert, sondern zusätzlich einen axial wirkenden Formschluss bereitstellt. Dadurch sind der Zahnradkranz 12 und der Zahnradkern 11 sowohl in Umlaufrichtung als auch in axialer Richtung nach dem Verpressen fixiert. Hierzu umfasst der Zahnradkranz 12 an seiner Innenseite einen stegartigen Vorsprung 17, der sich entlang der Umlaufrichtung erstreckt. Weiterhin ist der stegartige Vorsprung 17 im Wesentlichen in axialer Richtung gesehen mittig an der Innenseite angeordnet. Darüber hinaus erstreckt sich der Vorsprung 17 in axialer Richtung gesehen vorzugsweise nur über das 0,05- bis 0,2 - fache der Gesamtlänge der Innenseite des Zahnradkranzes 12 in axialer Richtung. Ferner ist der Vorsprung 17 in axialer Richtung gesehen spitzdachförmig ausgestaltet. Für solche Vorsprünge 17 hat es sich herausgestellt, dass sie sich, insbesondere beim Sintern, mit Vorteil ohne zusätzliche Kosten herstellen lassen. Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Zahnradkern 11 eine zum Vorsprung 17 komplementäre Einbuchtung 18 bzw. Einkerbung aufweist, in die der Vorsprung 17 zur Ausbildung des axialen bzw. in Umlaufrichtung erfolgenden Formschlusses beim und/oder nach dem Verpressen eingreift.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ausgleichswelle
- 10
- Zahnrad
- 11
- Zahnradkern
- 12
- Zahnradkranz
- 13
- Verzahnung
- 14
- Hohlraum
- 15
- Hülsenbereich
- 16
- Innenseite des Zahnradkranzes
- 17
- Vorsprung
- 18
- Einbuchtung
- 21
- Kanal
- 22
- Loch
- 25
- Abschlusselement
- 31
- erste Öffnung
- 32
- zweite Öffnung
- 41
- Fixierform
- 42
- Rücksprung
- 43
- Anlaufschräge
- U
- Umlaufrichtung
- e
- Erstreckung des Formschlusses
- a
- Abstand
- Z
- Zentrum
- E
- Einpressrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015009051 A1 [0004]
