DE102018209668A1

DE102018209668A1 - Verbundbauteil, Verwendung und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102018209668A1
Application number: DE102018209668.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Geiger; Thorsten Müller
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2019-12-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil, welches um eine Drehachse (a) drehbar ist, umfassend ein scheibenförmiges Bauteil (3), herstellbar aus einem Kunststoff in einem Spritzwerkzeug (2), sowie ein einen Außenring (4b) aufweisendes Wälzlager (4), wobei der Außenring (4b) mit dem eine erste Stirnfläche (3a) aufweisenden scheibenförmigen Bauteil (3) durch Umspritzen mit dem Kunststoff verbunden ist, wobei das scheibenförmige Bauteil (3) und der Außenring (4b) eine gemeinsame Kontaktfläche (3c) mit einer Breite (b), in Richtung der Drehachse (a), aufweisen und wobei der Außenring (4b) gegenüber der ersten Stirnfläche (3a) des scheibenförmigen Bauteils (3) einen Überstand (ü) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil, welches um eine Drehachse drehbar ist, umfassend ein scheibenförmiges Bauteil, herstellbar aus einem Kunststoff in einem Spritzwerkzeug, sowie ein einen Außenring aufweisendes Wälzlager, wobei der Außenring mit dem eine erste Stirnfläche aufweisenden scheibenförmigen Bauteil durch Umspritzen mit dem Kunststoff verbunden ist, wobei das scheibenförmige Bauteil und der Außenring eine gemeinsame Kontaktfläche mit einer Breite, in Richtung der Drehachse, aufweisen. Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung und ein Verfahren zur Herstellung des Verbundbauteils.
Durch die DE 103 01 057 B4 wurde ein Verbundbauteil, welches ein als Riemenscheibe ausgebildetes Kunststoffbauteil und ein Wälzlager mit einem vom Kunststoff umspritzten Außenring umfasst, bekannt. Der Außenring des Wälzlagers weist eine gegenüber dem Innenring erhöhte Breite, d. h. eine erhöhte Erstreckung in axialer Richtung auf, sodass eine größere Kontakt- oder Verbindungsfläche zwischen dem Außenring und der Nabe der Kunststoffriemenscheibe geschaffen wird. Damit sollen einerseits die Verbindungsfestigkeit gesteigert und andererseits - durch die vergrößerte Außenfläche des Lagers - das Wärmeabstrahlungsvermögen des Lagers verbessert werden. Die Herstellung des bekannten Verbundbauteils erfolgt in der Weise, dass das Kugellager mit dem in axialer Richtung verlängerten Außenring derart in ein Spritzwerkzeug eingelegt wird, dass beide Stirnseiten des Außenringes gegenüber dem Spritzwerkzeug eingespannt sind. Das Lager ist somit in axialer Richtung im Spritzwerkzeug fixiert. Beim Spritzvorgang, d. h. dem Umspritzen des Außenringes sind die Stirnseiten des Außenringes über das Werkzeug abgedichtet, sodass kein Kunststoff in das Innere des Kugellagers eindringen kann.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verbundbauteil der eingangs genannten Art weiter zu verbessern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung des Verbundbauteiles vorzuschlagen.
Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1, 9 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist bei einem Verbundbauteil der eingangs genannten Art vorgesehen, dass der Außenring gegenüber der ersten Stirnfläche des scheibenförmigen Bauteils einen Überstand aufweist, d. h. über die erste Stirnfläche in axialer Richtung hinausragt. Mit dem Überstand wird der Vorteil erreicht, dass der Außenring im Spritzwerkzeug zentriert, d. h. in radialer Richtung fixiert werden kann. Dadurch ergibt sich für das gesamte Bauteil, also das Verbundbauteil, bestehend aus Kunststoffkörper und metallischem Wälzlager, eine erhöhte Rundlaufgenauigkeit und auch eine geringere Unwucht. Die Zentrierung über den Außenring ist - gegenüber einer Zentrierung über den Innenring - insofern besonders vorteilhaft, weil dadurch das radiale Lagerspiel zwischen Innen- und Außenring keinen Einfluss auf die Genauigkeit des Kunststoffbauteils hat.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist der Überstand eine zylindrische Außenfläche oder eine zylindrische Innenfläche auf, welche jeweils als Zentrier- und Dichtfläche gegenüber dem Spritzwerkzeug fungieren. Zwischen der zylindrischen Außenfläche und einer korrespondierenden zylindrischen Innenfläche am Werkzeug wird ein eng tolerierter Radialspalt gebildet, über welchen die Zentrier- und Dichtfunktion ausgeübt wird. Analog gilt dies für eine zylindrische Innenfläche am Außenring und eine zylindrische Außenfläche am Werkzeug.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Außenring eine erste Stirnseite auf, welche teilweise von Kunststoff umspritzt ist. Damit wird eine axiale Fixierung des scheibenförmigen Bauteils gegenüber dem Außenring in einer axialen Richtung, d. h. in Richtung der Drehachse des Verbundbauteils erreicht.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bildet die nicht von Kunststoff umspritzte erste Stirnseite einen axialen Anschlag und eine Dichtfläche gegenüber dem Spritzwerkzeug. Zwischen der nicht umspritzten ersten Stirnseite und dem Spritzwerkzeug wird somit ein eng tolerierter Axialspalt gebildet, welcher eine Dichtfunktion ausübt und verhindert, dass beim Spritzvorgang flüssiger Kunststoff in das Innere des Wälzlagers gelangt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in der gemeinsamen Kontaktfläche zwischen dem Außenring und dem Kunststoffbauteil formschlüssige und/oder reibschlüssige Elemente zur axialen und tangentialen Fixierung beider Bauteile gegeneinander angeordnet. Bevorzugt sind die Elemente zur axialen Fixierung als mindestens eine Nut im Außenring, welche mit Kunststoff gefüllt wird, oder als Rändelung auf dem Außenring ausgebildet, wodurch eine erhöhte Haftung des Kunststoffs auf der Außenfläche des Außenrings und/oder ein Formschluss erreicht wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das scheibenförmige Bauteil eine zweite Stirnfläche auf, welche als axialer Anschlag gegenüber der ersten Stirnseite des Außenrings ausgebildet ist. Damit ist der Außenring gegenüber dem Kunststoffbauteil in einer axialen Richtung fixiert.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das scheibenförmige Bauteil als Zahnrad, insbesondere als Stirnrad ausgebildet. Kunststoffzahnräder haben gegenüber metallischen Zahnrädern den Vorteil einer besseren Geräuschdämpfung beim Zahneingriff. Die erfindungsgemäße Zentrierung des Außenringes gegenüber dem Spritzwerkzeug wirkt sich in Verbindung mit der Außenverzahnung besonders vorteilhaft auf die Maßhaltigkeit und Rundlaufgenauigkeit aus. Damit wird ein exakter Zahneingriff mit anderen Zahnrädern sichergestellt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Zahnrad in einem Getriebe mit einer drei Stirnräder umfassenden Räderkette als Zwischenrad verwendet. Das Getriebe wird bevorzugt für einen Pumpenantrieb eingesetzt. Dabei ist das erfindungsgemäße Kunststoffzahnrad, welches auf einer Zwischenachse gelagert ist, zwischen zwei metallischen Zahnrädern angeordnet. Die durch den zweifachen Zahneingriff entstehenden Geräusche werden durch das Kunststoffzahnrad gedämpft.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einem Verfahren zur Herstellung des Verbundbauteiles das Wälzlager derart in das Spritzwerkzeug eingelegt, dass der Außenring über den Überstand im Werkzeug zentriert wird. Bevorzugt wird der Außenring über die zylindrische Außenfläche des Überstandes oder eine zylindrische Innenfläche des Überstandes im Werkzeug aufgenommen. Der Außenring ist damit im Werkzeug in radialer Richtung fixiert. Diese Zentrierung über den Außenring ist insbesondere bei einer Verzahnung auf dem Außenumfang des Kunststoffbauteiles wichtig, da der Teilkreis der Verzahnung konzentrisch zum Wälzlager und dessen Drehachse angeordnet sein muss.
Nach einer bevorzugten Verfahrensvariante wird der Außenring durch den Überstand gleichzeitig gegenüber dem Werkzeug abgedichtet, wobei die zylindrische Außenfläche als Dichtfläche wirkt und verhindert, dass beim Spritzvorgang flüssiger Kunststoff aus der Gießform austritt und möglicherweise ins Innere des Wälzlagers gelangt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen

1 einen Ausschnitt eines Verbundbauteils mit Spritzwerkzeug und
2 eine weitere Ausführungsform des Verbundbauteils ohne Spritzwerkzeug.

1 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen um eine Drehachse a drehbaren Verbundbauteils 1, welches in eine Spritzgussform 2, auch Spritzwerkzeug 2 oder kurz Werkzeug 2 genannt, eingelegt ist. Das Werkzeug 2, welches nicht vollständig dargestellt ist, weist eine erste Werkzeughälfte 2a und eine zweite Werkzeughälfte 2b auf, zwischen denen ein als Innenform ausgebildeter Hohlraum zur Aufnahme des einzuspritzenden flüssigen Kunststoffes belassen ist. Das Verbundbauteil 1 umfasst ein nicht vollständig dargestelltes scheibenförmiges Bauteil 3 aus Kunststoff, auch Kunststoffbauteil 3 genannt, welches bevorzugt als Zahnrad 3, insbesondere als Stirnrad 3, dessen Verzahnung nicht dargestellt ist, ausgebildet ist. Das Verbundbauteil 1 umfasst ferner ein als Kugellager 4 ausgebildetes Wälzlager 4 mit einem Innenring 4a und einem in axialer Richtung verlängerten Außenring 4b. Das Kunststoffbauteil 3, welches durch Umspritzen des Außenringes 4b mit dem Wälzlager 4 verbunden ist, weist eine erste Stirnfläche 3a, eine zweite Stirnfläche 3b sowie eine gemeinsame Kontaktfläche 3c mit dem Außenring 4b auf. Der verlängerte Außenring 4b weist gegenüber der ersten Stirnfläche 3a des Kunststoffbauteils 3 einen Überstand ü auf, d. h. er ragt in axialer Richtung um den Betrag ü über die erste Stirnfläche 3a hinaus und weist auf seinem überstehendem Teil eine zylindrische Außenfläche 5 auf, welche in der ersten Werkzeughälfte 2a aufgenommen ist und die Funktion einer Dicht- und Zentrierfläche 5 ausübt. Zwischen der ersten Werkzeughälfte 2a und dem Außenring 4b wird somit ein eng tolerierter Ringspalt oder Radialspalt 5 gebildet, welcher verhindert, dass beim Spritzvorgang flüssiger Kunststoff nach außen aus der ersten Werkzeughälfte 2a austritt und möglicherweise in das Innere des Wälzlagers 4 gelangt. Der Außenring 4b und damit das Wälzlager 4 sind somit gegenüber dem Werkzeug 2 in radialer Richtung fixiert. Der Außenring 4b weist eine (in der Zeichnung rechts angeordnete) erste Stirnseite 4b1 auf, welche teilweise (radial außen) von Kunststoff umspritzt ist und teilweise (radial innen) eine Dicht- und Anschlagfläche 6 mit der zweiten Werkzeughälfte 2b bildet. Die zweite Stirnfläche 3b des Kunststoffteiles 3 bildet somit einen axialen Anschlag gegenüber dem Außenring 4b. Durch die plan verlaufende Dichtfläche 6 wird zwischen der ersten Stirnseite 4b1 des Außenringes 4b und der zweiten Werkzeughälfte 2b ein eng tolerierter Axialspalt 6 gebildet, welcher ein Austreten von flüssigem Kunststoff während des Spritzvorganges verhindert. Somit wird die mit Kunststoff zu füllende Innenform zwischen den beiden Werkzeughälften 2a, 2b durch den Radialspalt 5 und den Axialspalt 6 nach außen abgedichtet, wobei der Radialspalt 5 zusätzlich die Zentrierung übernimmt. Die von Kunststoff umspritzte gemeinsame Kontaktfläche 3c weist eine Breite b auf, welche der Breite des Innenrings 4a entspricht. Die Breite des Außenringes 4b ergibt sich also aus der Summe von b plus ü.
2 zeigt eine leicht abgewandelte Form eines Verbundbauteils 11 mit Kunststoffbauteil 13 und umspritztem Außenring 14b eines Wälzlagers 14 ohne das in 1 dargestellte Spritzwerkzeug 2. Zur axialen Fixierung ist auf der Außenseite des verlängerten Außenrings 14b eine Ringnut 7 angeordnet, welche beim Umspritzten mit dem Kunststoff des Kunststoffbauteils 13 gefüllt wird und somit einen Formschluss in axialer Richtung bewirkt. Alternativ oder zusätzlich kann auf der Außenfläche des verlängerten Außenringes 14b eine nicht dargestellte Rändelung 8 vorgesehen sein, welche eine verbesserte Haftung des Kunststoffes auf dem Außenring 14b bewirkt, und zwar sowohl in axialer als auch in tangentialer Richtung.
Das Verbundbauteil 1 mit Kunststoffzahnrad 3 wird bevorzugt als Zwischenrad in einem Getriebe (nicht dargestellt) verwendet, welches drei in einer Räderkette angeordnete Zahnräder für einen Pumpenantrieb umfasst, nämlich ein Antriebsrad, das Kunststoffzahnrad 3 als Zwischenrad und ein Abtriebsrad. Da An- und Abtriebszahnrad vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff bestehen, ergibt sich durch den Kunststoffwerkstoff des Zwischenrades eine Geräuschdämpfung beim Zahneingriff.
Das Verfahren zur Herstellung des Verbundbauteils 1, umfassend das Bauteil 3 aus Kunststoff und das Bauteil 4 aus einem metallischen Werkstoff, besteht in einem Spritzgussvorgang mittels des Spritzwerkzeuges 2. Dabei ist es wichtig, dass das Zahnrad 3 aus Kunststoff, insbesondere dessen Zahnkranz konzentrisch zum Wälzlager 4 angeordnet ist, um eine hohe Rundlaufgenauigkeit zu erzielen. Hierzu wird das Wälzlager 4 derart in das Werkzeug 2 eingelegt, dass es über seinen Außenring 4b , insbesondere über den Überstand ü gegenüber dem Werkzeug 2 zentriert ist. Gleichzeitig erfolgt eine Abdichtung der Innenform, die mit flüssigem Kunststoff gefüllt wird, durch den Radialspalt 5 und den Axialspalt 6 (vgl. 1). Die Zentrierung kann entweder über den Außenumfang oder über den Innenumfang des zylindrischen Überstandes ü erfolgen. Eine weitere Abdichtung über die zweite Stirnseite des Außenringes 4b, d. h. die Stirnseite des Überstandes ü gegenüber der ersten Werkzeughälfte 2a ist möglich, womit gleichzeitig auch eine axiale Fixierung des Wälzlagers 4 im Werkzeug 2 erreicht wird.
Bezugszeichenliste

1: Verbundbauteil
2: Spritzwerkzeug
2a: erste Werkzeughälfte
2b: zweite Werkzeughälfte
3: Kunststoffbauteil/Zahnrad
3a: erste Stirnfläche
3b: zweite Stirnfläche
3c: gemeinsame Kontaktfläche
4: Wälzlager
4a: Innenring
4b: Außenring
4b1: erste Stirnseite
5: Zentrier-/Dichtfläche, Radialspalt
6: Dichtfläche, Axialspalt
7: formschlüssiges Element/Nut
8: Rändelung
11: Verbundbauteil
13: Kunststoffbauteil
14: Wälzlager
14b: Außenring
a: Drehachse
b: Breite Kontaktfläche
ü: Überstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10301057 B4 [0002]

Claims

Verbundbauteil, welches um eine Drehachse (a) drehbar ist, umfassend ein scheibenförmiges Bauteil (3), herstellbar aus einem Kunststoff in einem Spritzwerkzeug (2), sowie ein einen Außenring (4b) aufweisendes Wälzlager (4), wobei der Außenring (4b) mit dem eine erste Stirnfläche (3a) aufweisenden scheibenförmigen Bauteil (3) durch Umspritzen mit dem Kunststoff verbunden ist, wobei das scheibenförmige Bauteil (3) und der Außenring (4b) eine gemeinsame Kontaktfläche (3c) mit einer Breite (b), in Richtung der Drehachse (a), aufweisen und wobei der Außenring (4b) gegenüber der ersten Stirnfläche (3a) des scheibenförmigen Bauteils (3) einen Überstand (ü) aufweist.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstand (ü) eine zylindrische Außenfläche (5) oder eine zylindrische Innenfläche aufweist, welche jeweils als Zentrier- und Dichtfläche (5) gegenüber dem Spritzwerkzeug (2, 2a) ausgebildet ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (4b) eine erste Stirnseite (4b1) aufweist, welche zur Bildung einer axialen Fixierung, in Richtung der Drehachse (a), teilweise von Kunststoff umspritzt ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht von Kunststoff umspritzte Teil der ersten Stirnseite (4b1) einen axialen Anschlag und eine Dichtfläche (6) gegenüber dem Spritzwerkzeug (2, 2b) bildet.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der gemeinsamen Kontaktfläche (3c) formschlüssige und/oder reibschlüssige Elemente (7, 8) zur axialen und tangentialen Fixierung des scheibenförmigen Bauteils (3, 13) gegenüber dem Außenring (4b, 14b) angeordnet sind.
Verbundbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssigen Elemente als mindestens eine Nut (7) auf dem Außenring (14b) ausgebildet sind.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Bauteil (3) eine zweite Stirnfläche (3b) aufweist, welche als axialer Anschlag gegenüber der ersten Stirnseite (4b1) des Außenrings (4b) ausgebildet ist.
Verbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Bauteil als Zahnrad (3) ausgebildet ist.
Verwendung des Zahnrades (3) gemäß Anspruch 8 in einem drei Zahnräder umfassenden Getriebe als Zwischenrad.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (4) derart in das Spritzwerkzeug (2) eingelegt wird, dass der Außenring (4b) über den Überstand (ü) im Spritzwerkzeug (2) zentriert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (4b) über seine Außenfläche (5) oder seine Innenfläche zentriert wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (4b) durch den Überstand (ü) gleichzeitig gegenüber dem Spritzwerkzeug (2) ab gedichtet wird.