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Die Erfindung betrifft ein Zahnrad, insbesondere Parksperrenrad für ein Automatikgetriebe, ein automatisiertes Getriebe oder einen Elektroantrieb und eine Parksperrenanordnung.
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Die Parksperre ist eine mechanische Verriegelung der Getriebeausgangswelle am Getriebegehäuse. Meist wird dazu eine Zahnklinke, die am Gehäuse befestigt ist, in ein verzahntes Rad der Ausgangswelle eingelegt. Für Straßenfahrzeuge mit Elektro-Traktionsantrieben wird oft eine mechanische Parksperre gefordert, die bei Stillstand des Fahrzeugs den Antrieb blockiert, um ein unbeabsichtigtes Wegrollen des Fahrzeugs zu vermeiden.
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Üblicherweise wird dies durch eine aktuierbare Zahnklinke realisiert, die in eine Nut eines Zahnrades, insbesondere eines Parksperrenrades eingreift. Beim Einlegen der Klinke kann es zu einem Stoß auf die Parksperre kommen, wenn die Parksperre nicht im Stillstand, sondern bei geringer Geschwindigkeit des Fahrzeugs eingelegt wird. Dies ist bspw. dann der Fall, wenn das Fahrzeug in einem leichten Gefälle abgestellt wird. Dies kann auch dann vorkommen, wenn beim Einlegen der Parksperre eine „Zahn-auf-Zahn-Stellung“ vorliegt und die Klinke erst nach einem Losrollen des Fahrzeugs einrasten kann. Dies kann auch dann vorkommen, wenn die Parksperre durch den Fahrzeugführer eingelegt wird, bevor das Fahrzeug vollständig zum Stillstand gekommen ist. Die Parksperre, insbesondere die Zahnklinke und das Parksperrenrad müssen so dimensioniert werden, dass sie dieser Belastung standhalten.
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Bei Elektro-Traktionsantrieben besitzt der Rotor der Elektromaschine ein erhebliches Trägheitsmoment. Beim Einrasten der Parksperre aus geringer Geschwindigkeit muss nicht nur das Fahrzeug, sondern auch der Rotor der E-Maschine abgebremst werden, was eine erhebliche Stoßbelastung der Parksperre hervorruft. Die Stoßenergie wird durch einen nachfolgenden Torsions-Schwingungsvorgang abgebaut, welcher eine weitere Belastung des Systems darstellt und für die Fahrzeuginsassen unkomfortabel wirkt.
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Axial-translatorische Ringfedern sind als Bauelemente bekannt, die Stöße abfedern und dämpfen, beispielsweise als Pufferfedern bei Eisenbahn-Fahrzeugen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein alternatives Zahnrad, insbesondere Parksperrenrad sowie eine alternative Parksperrenanordnung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Zahnrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Aufgabe wird zudem gelöst durch eine Parksperrenanordnung mit einem solchen Zahnrad. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das Zahnrad, bei welchem es sich insbesondere um ein Parksperrenrad für ein Automatikgetriebe, ein automatisiertes Getriebe oder einen Elektroantrieb handelt, umfasst einen Ringkörper. An dem Außenumfang des Ringkörpers ist eine erste Verzahnung zum Eingreifen einer Zahnklinke angeordnet. An dem Innenumfang des Ringkörpers ist eine zweite Verzahnung zum formschlüssigen Verbinden mit einer Welle angeordnet. Andere Begriffe für Parksperrenrad sind Parksperrenring oder Park-Zahnrad.
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Die erste Verzahnung ist dazu eingerichtet, auf bekannte Art und Weise mit der Zahnklinke zusammenzuwirken. Die zweite Verzahnung ist dazu vorgesehen, formschlüssig auf einer Welle des Getriebes zu sitzen. Die Welle weist eine dritte Verzahnung auf, die mit der zweiten Verzahnung des Zahnrads korrespondiert.
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Unter Verzahnung wird die Formgebung eines Bauelements, insbesondere des Ringkörpers oder der Welle mit Zacken, Zinken oder Keilen zur Herstellung einer Verbindung und/oder zur Erhöhung der Reibung verstanden. Der Begriff Verzahnung kann sowohl die Form und Anordnung als auch die Herstellung der Zähne bezeichnen.
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Die Parksperrenanordnung umfasst das zuvor beschriebene Zahnrad sowie eine Welle auf welche das Zahnrad montiert ist. In einem montierten Zustand der Parksperrenanordnung sind die zweite Verzahnung und die dritte Verzahnung bevorzugt radial gegenüberliegend mit formschlüssig ineinander greifenden Zahnflanken angeordnet. Es liegt anders ausgedrückt eine Art Welle-Nabe-Verbindung vor, die bevorzugt mittels einer Art Passverzahnung (auch Steckverzahnung genannt) realisiert ist. Bei der Passverzahnung handelt es sich um eine sogenannte Vielfach-Mitnehmer-Verbindung, wobei das Drehmoment von den Zahnflanken übertragen wird. Die Welle ist außen- und das Zahnrad ist innen-verzahnt. Die Passverzahnung kann bspw. in Form einer Art Keilwelle oder einer Art radial ausgerichtete Hirth-Verzahnung vorliegen. So kann Leistung, Drehmoment oder Drehgeschwindigkeit von der Welle auf das Zahnrad übertragen werden.
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Die zweite und dritte Verzahnung muss nicht radial wirkend sein, also nicht radial gegenüberliegend angeordnet sein. Die zweite und dritte Verzahnung kann auch axial wirken, also sich auch in axiale Richtung erstrecken. Die Hirth-Verzahnung ist ein Beispiel für eine axial wirksame, planseitige Verzahnung.
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Das Zahnrad kann auf verschiedenen Wellen des Getriebes montiert werden, insbesondere auf der Getriebe-Eingangswelle, auf einer Zwischenwelle des Getriebes auf der Abtriebswelle oder auf einer mit den jeweiligen Wellen verbundenen Welle. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Welle um die Rotorwelle einer Elektromaschine, da dann das Getriebe über die Übersetzung das Drehmoment vom Rad entsprechend reduzieren kann. So kann das Zahnrad besonders klein dimensioniert werden.
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Die zweite Verzahnung ist insbesondere derart ausgestaltet ist, dass sich das Zahnrad bei Einlegen der Zahnklinke in das rotierende Zahnrad gegenüber der formschlüssig verbundenen Welle in radialer Richtung dehnt.
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Es ist bevorzugt wenn die zweite und dritte Verzahnung eine Vielzahl von Zähnen mit schrägen Zahnflanken aufweisen.
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Die Oberfläche der Zahnflanken der Zähne der zweiten und dritten Verzahnung kann vielfältig ausgestaltet sein. Die schrägen Zahnflanken können bspw. in ihrer Fläche eben oder ballig sein, also etwas gerundet ausgeführt sein. Ballige Zahnflanken verhindern sogenanntes Kantentragen bei Verdrehung der zweiten und dritten Verzahnung. Es ist denkbar, lediglich die zweite Verzahnung ballig und die dritte Verzahnung eben auszuführen oder lediglich die dritte Verzahnung ballig auszuführen und die zweite Verzahnung eben. Auch ist es denkbar sowohl die zweite als auch die dritte Verzahnung ballig auszuführen. → Hertzsche Pressung
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Rastet die Zahnklinke der Parksperrenanordnung in die erste Verzahnung ein während die Welle, an welcher das Parksperrenrad montiert ist, dreht, so verdreht sich das Zahnrad gegenüber der Welle und wird in Umfangsrichtung gedehnt. Anders ausgedrückt wird der Durchmesser des Zahnrads größer. Dabei nimmt das Zahnrad die Stoßenergie auf, während es den Drehmomentenstoß abfedert. Zudem wird dadurch die Belastung auf die Zahnklinke wesentlich reduziert. Durch die Reibung der zweiten Verzahnung wird außerdem die entstehende Torsionsschwingung gedämpft, wodurch die nachfolgende Torsionsschwingung des Torsionsschwingungssystems Parksperrenanordnung schneller abklingt. Während dieses Vorganges ist das Zahnrad im Wesentlichen auf Zug beansprucht. Die Erfindung ermöglicht so ganz allgemein gesprochen eine optimale Energieaufnahme, also eine homogene Energieverteilung über den ringförmigen Körper durch Verformung des Ringes.
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Der Winkel von zwei benachbarten Zahnflanken ist bevorzugt derart gewählt, dass eine Selbsthemmung der Welle vermieden wird und eine Rückstellung der Welle
nach Entlastung der Parksperrenanordnung gewährleistet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der sich in Richtung Achse öffnende Winkel α zwei einander angrenzender Zahnflanken einen Winkel auf, der zwischen 140° und 166° liegt.
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Dieser Winkelbereich verhindert einerseits eine Selbsthemmung des Parksperren-Systems, welche bei zu kleinem Winkel entsteht. Anders ausgedrückt, wird bei diesem Winkelbereich eine Selbsthemmung bei Verdrehung der zweiten und dritten Verzahnung gegeneinander verhindert, wobei das Parksperren-System zumindest die Welle und das Zahnrad umfasst. Die Selbsthemmung sollte deswegen vermieden werden, damit sich nach Auslegen der Zahnklinke der Ruhezustand wieder einstellen kann, wobei Ruhezustand bedeutet, dass die zweite und dritte Verzahnung nicht gegeneinander verdreht sind, also der Durchmesser des Zahnrads minimal ist. Andererseits ermöglicht dieser Winkelbereich einen für die Aufnahme der Stoßenergie ausreichend großen Federweg. Ein zu großer Winkel würde den Federweg verringern.
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Als besonders bevorzugt hat sich ein Winkel zwischen 150 ≤ α ≤ 156° herausgestellt. Dieser enge Winkelbereich ist einerseits für die Verhinderung der Selbsthemmung und andererseits für einen ausreichend großen Federweg optimal.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Parksperrenanordnung vorgeschlagen, umfassend ein vorstehend beschriebenes Zahnrad und eine Welle auf welcher das Zahnrad angeordnet ist. Die zu dem Zahnrad erläuterten Vorteile treffen sinngemäß auch auf die Parksperrenanordnung mit einem solchen Zahnrad zu.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des Hauptanspruchs oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung oder unmittelbar aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, die nachfolgend erläutert werden, sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
- 1 Zahnrad in einer bevorzugten Ausführung in einer axialen Schnittansicht
- 2 Zahnrad aus 1 in einer perspektivischen Ansicht
- 3 Zahnrad aus 1 mit Darstellung des bevorzugten Winkels der zweiten Verzahnung.
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1 zeigt ein Zahnrad 10 in Form eines Parksperrenrads einer nicht näher dargestellten Parksperrenanordnung eines nicht dargestellten Fahrzeuggetriebes sowie eine Zahnklinke 20, die in eine erste Verzahnung 2 des Parksperrenrads 10 eingelegt ist. Das Parksperrenrad 10 ist koaxial zu einer Achse 98 angeordnet. Die Zahnklinke 20 ist koaxial zu einer Achse 99 angeordnet. Die zwei Achsen 98, 99 sind zueinander achsparallel angeordnet.
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Das Parksperrenrad 10 umfasst einen Ringkörper 1. Der Ringkörper 1 umfasst die an dem Außenumfang des Ringkörpers 1 angeordnete erste Verzahnung 2 zum Eingreifen der Zahnklinke 20. Der Ringkörper 1 umfasst ferner eine an dem Innenumfang des Ringkörpers 1 angeordnete zweite Verzahnung 3 zum formschlüssigen Verbinden mit einer nicht dargestellten Welle. Beide Verzahnungen 2, 3 sind radial wirkende Verzahnungen. Die erste Verzahnung 2 weist in an sich bekannter Art und Weise Zähne 4 mit geradverzahnten Zahnflanken 4a, 4b auf. Zwischen benachbarten Zähnen 4 liegen entsprechende Ausnehmungen vor. Die Innenverzahnung 3 weist Zähne 5 mit seitlichen Flanken 5a, 5b auf. Im Unterschied zu den Flanken 4a, 4b der Zähne 4 der ersten Verzahnung 2 sind die Zahnflanken 5a, 5b der Zähne 5 der zweiten Verzahnung 3 schräg. Zwischen benachbarten schrägen Zahnflanken 5a, 5b liegt ein Winkel α. Der Winkel α liegt in einem Bereich von 150° ≤ α ≤ 156° (vgl. 3). Anders ausgedrückt, beträgt der Steigungswinkel der Zahnflanke 5a, 5b 12° ≤ β ≤ 15°.
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2 zeigt das Parksperrenrad 10 aus 1 und eine Welle 30, auf welcher das Parksperrenrad 10 angeordnet ist, in einer perspektivischen Darstellung. Die Welle 30, bei welcher es sich um eine Rotorwelle einer Elektromaschine handelt, weist eine dritte Verzahnung 32 auf, welche korrespondierend ist zur zweiten Verzahnung 3 des Parksperrenrads 10. Die dritte Verzahnung 32 ist demnach eine radial wirkende, also eine sich in radialer Richtung erstreckende Verzahnung mit Zähnen 34. Die Zähne 34 weisen schräge Zahnflanken 34a, 34b auf. Eine Zahnflanke 34a liegt an einer Zahnflanke 5a an, während eine Zahnflanke 34b an einer Zahnflanke 5b anliegt. Die Welle 30, bei der es sich vorliegend um eine Rotorwelle eines nicht näher dargestellten Elektromotors handelt, überträgt also über ihre Anlageflächen 34a, 34b formschlüssig auf die Anlageflächen 5a, 5b und damit auf das Parksperrenrad 10.
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Wird die Zahnklinke 20 bei rotierendem Parksperrenrad 10 in die erste Verzahnung eingelegt, so verdreht sich das Parksperrenrad 10 gegenüber der Welle 30 und wird in Umfangsrichtung 97 gedehnt, d.h. anders ausgedrückt, wird der Radius des Parksperrenrads 10 größer. Dabei nimmt das Parksperrenrad 10 die Stoßenergie auf, während es den Drehmomentenstoß abfedert. Hierdurch kann einerseits die Belastung auf die Zahnklinke 20 wesentlich reduziert werden und andererseits kann durch die Reibung der Innenverzahnung die entstehende Torsionsschwingung gedämpft werden.
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Durch die Reibung der zweiten Verzahnung wird außerdem die entstehende Torsionsschwingung gedämpft, wodurch die nachfolgende Torsionsschwingung des Torsionsschwingungssystems Parksperrenvorrichtung schneller abklingt. Während dieses Vorganges ist das Zahnrad im Wesentlichen auf Zug beansprucht. Die Erfindung ermöglicht so ganz allgemein gesprochen eine optimale Energieaufnahme, also eine homogene Energieverteilung über den ringförmigen Körper durch Verformung des Ringes.
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Bei dem vorliegenden Beispiel kann das Torsionschwingungssystem wie folgt vereinfacht beschrieben werden: Der Rotor der E-Maschine führt eine Torsionsschwingung aus. Die Torsionsfeder wird aus der Elastizität aller Bauteile gebildet, die sich beim Einlegen der Klinke im Kraftfluss befinden. Dies sind hauptsächlich die Elastizität der entsprechenden Teile der Verbindungswelle(n), die Elastizität des Parksperrenrads 10, der Zahnklinke 20 und der Gehäuseanteile, die die Kräfte aus der Klinkenlagerung aufnehmen. Die schwingende Masse besteht im Wesentlichen aus dem Trägheitsmoment des Rotors der E-Maschine.
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3 zeigt das Parksperrenrad aus 1, wobei zusätzlich der bevorzugte Winkel α eingetragen ist, welcher vorliegend zwischen 150° und 156° liegt.
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Zudem ist der Steigungswinkel β dargestellt. Der Winkel β wird von einer Tangente, die durch den Punkt P1 verläuft, einerseits und durch eine Verbindungslinie, die durch die Punkte P1 und P2 verläuft, aufgespannt. Der Punkt P1 ist derjenige Punkt, in welchem sich benachbarte Zahnflanken 5a, 5b schneiden und welcher Schnittpunkt den geringsten Abstand r1 zur Achse 98 des Parksperrenrads 10 aufweist. P2 ist derjenige Punkt, in welchem sich benachbarte Zahnflanken 5a, 5b schneiden und welcher Schnittpunkt P2 den größten Abstand r2 zum Mittelpunkt des Parksperrenrades 10 aufweist. Dieser Winkel β ist der sogenannte Steigungswinkel und beträgt 12° ≤ β ≤ 15°.
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Die formelmäßige Beziehung zwischen den Winkeln α und β lautet:
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4a bis 4c zeigen die Beschaffenheit der schrägen Zahnflanken wie sie in den Ausführungsformen gemäß der 1 bis 4 Verwendung finden können. In 4a weisen die Zähne 5 schräge und ebene Zahnflanken 5a, 5b auf. Die Zahnflanken 34a, 34b der Zähne 34 hingegen sind schräg und ballig ausgeführt. In 5b ist es umgekehrt: die Zahnflanken 34a, 34b der Zähne 34 sind ballig und eben ausgeführt während die Zahnflanken 5a, 5b der Zähne 5 schräg und ballig ausgeführt sind. In 4c sind die balligen Zahnflanken 5a, 5b des Parksperrenrads 10 gezeigt - ohne die Welle.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der Undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ringkörper
- 2
- erste Verzahnung, Außenverzahnung
- 3
- zweite Verzahnung, Innenverzahnung
- 4
- Zahn, Zähne der ersten Verzahnung
- 4a, 4b
- Zahnflanken
- 5
- Zahn, Zähne
- 5a, 5b
- Zahnflanken, Anlagefläche
- 6
- Ausnehmung(en) der ersten Verzahnung
- 7
- Ausnehmung(en) der zweiten Verzahnung
- 10
- Zahnrad, Parksperrenrad
- 20
- Zahnklinke
- 30
- Welle, Rotorwelle
- 32
- dritte Verzahnung
- 34
- Zahn, Zähne der dritten Verzahnung
- 34a, 34b
- Zahnflanken, Anlagefläche
- 97
- Drehrichtung Welle, Zahnrad; Richtung Dehnung (Umfangsrichtung)
- 98
- Achse des Zahnrads, Welle
- 99
- Schwenkachse der Zahnklinke
- P1
- Punkt der Innenverzahnung mit geringstem Abstand zum Mittelpunkt
- P2
- Punkt der Innenverzahnung mit größtem Abstand zum Mittelpunkt
- t
- Tangente
- d
- Verbindungslinie zwischen P1 und P2
- r1
- Radius, Abstand zwischen Mittelpunkt und P1
- r2
- Radius, Abstand zwischen Mittelpunkt und P2
