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Die Erfindung bezieht sich auf ein mehrteiliges Zahnrad einen Radkörper und einen Zahnkranz mit einer Anzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Zähnen umfassend. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des mehrteiligen Zahnrades in einem E-Achsen-Modul.
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Stand der Technik
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DE 106 17 831 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern. Das Verfahren umfasst die Schritte, gemäß denen ein erster Vorblock aus einem warmformbaren Material gewählt wird und ein Zahnkranzkörper des Zahnrades hieraus hergestellt wird. Ein zweiter Vorblock wird aus einem warmformbaren Material gewählt und aus diesem ein ringförmiges Zahnradnabenteil ausgebildet. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt, gemäß welchem der Zahnkranzkörper mit dem Zahnradnabenkörper verbunden wird. Die Herstellungsschritte können das Schmieden eines Zahnkranzkörpers und eines Zahnnabenkörpers jeweils umfassen, oder der Zahnradnabenkörper kann in einer Grobausbildung vorliegen, oder der Zahnkranzkörper kann ebenfalls in einer Grobausbildung vorliegen. Der Schritt zum Verbinden kann das Laserschweißen einschließen oder alternativ kann ein Klebstoff auf die Passflächen von Nabenkörper und Zahnkranzkörper aufgebracht werden. Aufgrund des Einsatzes von unterschiedlichen Vorblöcken aus warmformbaren Materialien zur Herstellung des Zahnkranzkörpers und/oder des Zahnradnabenkörpers können der Zahnkranzkörper und der Zahnradnabenkörper aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden.
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DE 10 2007 063 422 B4 bezieht sich auf ein Kunststoffzahnrad. Das Kunststoffzahnrad umfasst einen aus Kunststoff bestehenden Peripherieabschnitt mit dazugehörendem Zahnabschnitt und ein inneres Umfangselement in einer Ring- oder Scheibenform. Dieser ist an der inneren Umfangsseite des Peripherieabschnittes angeordnet, wobei der Peripherieabschnitt einen inneren Kern mit einem inneren Zahnabschnitt umfasst, der korrespondierend zu dem entsprechenden Zahnabschnitt ausgebildet ist. Ein Oberflächenschichtelement umschließt den inneren Kern und bildet einen entsprechend gegenüberliegenden Zahnabschnitt aus. Dieser umschließt den entsprechenden inneren Zahnabschnitt, wobei der innere Kern und das Oberflächenschichtelement aus Kunststoff bestehen und der Kunststoff, aus dem der innere Kern besteht, ein größeres Elastizitätsmodul und eine größere Festigkeit aufweist als der Kunststoff, aus dem das Oberflächenschichtelement besteht. Der innere Kern ist in dem Umfangselement derart eingepasst, dass ein relativer Versatz zwischen dem inneren Kern und dem Umfangselement in Umfangsrichtung möglich ist.
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Während Vollmetallzahnräder vorzugsweise zur Übertragung von hohen Drehmomenten eingesetzt werden, weisen diese die Nachteile eines hohen Gewichts auf. Des Weiteren können diese aus einem weitgehend homogenen Werkstoff gefertigten Zahnräder Schwingungen und Vibrationen leichter übertragen, ferner besteht eine ungünstige Neigung zur Geräuschentwicklung. Aus Kunststoff gefertigte Zahnräder dienen vorzugsweise zur Übertragung kleiner Drehmomente und haben den Nachteil, dass deren Zähne eine relativ geringe Festigkeit aufweisen.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein mehrteiliges Zahnrad vorgeschlagen, einen Radkörper und einen Zahnkranz mit einer Anzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Zähnen umfassend, wobei der Radkörper und der Zahnkranz entlang einer Verbindung miteinander verbunden sind. Der Radkörper weist zumindest ein Feststoff-Segment aus einem viskoelastische Eigenschaften aufweisenden Material auf, wobei der mit diesem gefügte Zahnkranz aus metallischem Material gefertigt ist. Ein derart ausgebildetes mehrteiliges Zahnrad zeichnet sich durch ein erheblich geringeres Gewicht aus, wohingegen Schwingungen und Vibrationen durch das viskoelastische Eigenschaften aufweisende Material des Radkörpers effektiv absorbiert werden können.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen mehrteiligen Zahnrades liegt dessen Einsatztemperaturbereich im Bereich zwischen - 50 °C und 250 °C, vorzugsweise zwischen - 40 °C und 160 °C.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene mehrteilige Zahnrad umfasst mindestens ein Feststoff-Segment aus viskoelastische Eigenschaften aufweisendem Material, welches im Einsatztemperaturbereich zwischen - 40 °C und 160 °C durch nachfolgende Parameter charakterisiert ist:
- - Dichte ϱ 0,5 g/cm3 bis 4 g/cm3
- - E-Modul: < 80 GPa
- - G''< G' (G'' =̂ Verlustmodul, G' =̂ Speichermodul)
- - tan δ < 1 (Verlustfaktor = G''/G' < 1). Dies bedeutet, dass auftretende Schwingungsenergien vom Werkstoff absorbiert und in Wärme umgewandelt werden. Diese Werkstoffeigenschaften finden sich vor allem bei viskoelastischen Feststoffen, so zum Beispiel Kunststoffen.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene mehrteilige Zahnrad kann hinsichtlich der Ausbildung seines Radkörpers derart ausgebildet sein, dass der Radkörper durch eine erste Radkörperscheibe und eine koaxial zu diesem angeordnete zweite Radkörperscheibe gebildet wird.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen mehrteiligen Zahnrades ist der Radkörper durch mehrere in Umfangsrichtung angeordnete Feststoff-Segmente gebildet, die durch Radialstege voneinander beabstandet sind.
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Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen mehrteiligen Zahnrad ist die Verbindung zwischen dem Radkörper und dem diesen umgebenden Zahnkranz als Reibschlussverbindung oder als Kraftschlussverbindung oder als Formschlussverbindung ausgeführt oder auch als eine Kombination mehrerer dieser Verbindungsmöglichkeiten.
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Beim mehrteiligen Zahnrad gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Wellen-Naben-Verbindung zwischen der Welle und dem Radkörper als Reibschlussverbindung, als Kraftschlussverbindung oder als Formschlussverbindung oder einer Kombination dieser Verbindungsmöglichkeiten ausgeführt.
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Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des mehrteiligen Zahnrades in einem E-Achsen-Modul eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass das relativ hohe Gewicht eines Vollmetallzahnrades erheblich reduziert ist, da der Radkörper, der aus mindestens einem Feststoff-Segment, das aus einem Material mit viskoelastischen Eigenschaften gefertigt ist, erheblich leichter ist. Dies hilft insbesondere bei der Applikation in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, die Effizienz und damit den Energieverbrauch des Fahrzeugs günstig zu beeinflussen. Dies wiederrum führt zur Steigerung der Fahrzeugreichweite bei gegebener Batteriekapazität oder ermöglicht andererseits eine Verkleinerung der Batterie, was zu einer noch besseren Umweltbilanz und Systemkostenreduzierung führt.
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Ein Radkörper aus metallischem Material, wie er bei Vollmetallzahnrädern zum Einsatz kommt, kann die von der Verzahnung des Zahnrades ausgehenden Schwingungen und Vibrationen nicht absorbieren. Durch das Vorsehen eines Stoffes mit besseren Dämpfungseigenschaften in dem Radkörper, zum Beispiel das Material der Feststoff-Segmente, welches viskoelastische Eigenschaften aufweist, können die Vibrationen und Schwingungen effektiv absorbiert werden. Die entstehende Schwingungsenergie wird vorzugsweise in Wärme umgewandelt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung des mehrteiligen Zahnrades kann das akustische Verhalten des Zahnrades und eines Getriebes, in welchem ein erfindungsgemäßes mehrteiliges Zahnrad eingesetzt wird, erheblich verbessert werden. Die Schwingungen, die von der Verzahnung ausgehen, führen zu einem nachteiligen akustischen Verhalten, wenn sie in Luftschall umgewandelt werden. In diesem Zusammenhang wird in der Umgangssprache der Ausdruck vom „Getriebeheulen“ verwendet. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene mehrteilige Zahnrad wirkt diesem negativen akustischen Effekt entgegen, da im Radkörper der aus einem oder mehreren Feststoff-Segmenten aus einem Material mit viskoelastischen Eigenschaften gebildet wird, die Schwingungsenergie, d. h. der Körperschall positiv beeinflusst wird, indem dieser im Material absorbiert wird. Die Schwingungsenergie beziehungsweise der Körperschall wird beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen mehrteiligen Zahnrad in Wärme umgewandelt, so dass die akustischen Eigenschaften des mehrteiligen Zahnrades an sich, wie auch die akustischen Eigenschaften eines Getriebes, in dem ein erfindungsgemäßes mehrteiliges Zahnrad zum Einsatz kommt, erheblich verbessert werden. Durch Reduzierung der Schwingungen werden auch die Belastungen und damit der mechanische Verschleiß der Lager vermindert.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen mehrteiligen Zahnrades,
- 2 eine Ansicht eines mehrteilig ausgebildeten Radkörpers und
- 3 eine schematische Ansicht eines Radkörpers mit mehreren in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Feststoff-Segmenten.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen mehrteiligen Zahnrades 10.
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Das mehrteilige Zahnrad 10 umfasst einen Radkörper 14 und einen Zahnkranz 16. Der Radkörper 14 ist mittels einer Wellen-Naben-Verbindung 18 auf einer Welle 12 aufgenommen. Zwischen dem Umfang des Radkörpers 14 und dem Zahnkranz 16 ist eine Verbindung 20 ausgeführt, die als Reibschlussverbindung, als Formschlussverbindung oder auch als Kraftschlussverbindung oder eine Kombination dieser Verbindungsarten ausgebildet sein kann. Der Zahnkranz 16 umfasst an seinem Außenumfang eine Anzahl voneinander in Umfangsrichtung beabstandeter Zähne 21. Wie aus der Darstellung gemäß 1 hervorgeht, sind die Zähne 21 in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet und umfassen jeweils Zahnflanken 22, einen Zahnkopf 24 sowie einen Zahnfuß 26. Die zur Dimensionierung der Verzahnung maßgeblichen Durchmesser sind ein Kopfkreisdurchmesser 28, ein Teilkreisdurchmesser 30 sowie ein Fußkreisdurchmesser 32, die allesamt in der Darstellung gemäß 1 eingetragen sind.
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Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen mehrteiligen Zahnrad 10 umfasst der Radkörper 14 mindestens ein einziges Feststoff-Segment 40, welches aus einem viskoelastische Eigenschaften aufweisenden Kunststoffmaterial gefertigt ist. Ein Einsatztemperaturbereich, in dem das mehrteilige Zahnrad 10 gemäß 1 betrieben wird, liegt im Bereich zwischen - 50 °C und 250 °C, vorzugsweise zwischen - 40 °C und 160 °C.
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Innerhalb des Einsatztemperaturbereiches, der in vorteilhafter Weise für das mehrteilige Zahnrad 10 gilt, lässt sich das Materialverhalten des viskoelastische Eigenschaften aufweisenden Materials des mindestens einen Feststoff-Segmentes 40 durch das nachfolgend kurz skizzierte Materialverhalten charakterisieren:
- Die Dichte ϱliegt zwischen 0,5 g/cm3 bis 3 - 4 g/cm3, der E-Modul des Materials liegt < 80 GPa und G'' < G', der Verlustmodul G'' ist kleiner als der Speichermodul G'; tan δ < 1, was bedeutet, dass der Verlustfaktor G"/ G' < 1 liegt.
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Bei dem viskoelastische Eigenschaften aufweisenden Material, aus dem das mindestens eine Feststoff-Segment 40 (vgl. Darstellung gemäß 3) gefertigt ist, handelt es sich insbesondere um ein Kunststoffmaterial, welches in der Verzahnung, die durch die Zähne 21 des Zahnkranzes 16 gebildet ist, auftretende Schwingungsenergie und Vibrationen des Getriebegesamtsystems vorzugsweise in Wärme umwandelt.
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In der Darstellung gemäß 1 sind die Zähne 21, die am Außenumfang des Zahnkranzes 16 ausgebildet sind, als Evolventen dargestellt. Es können jedoch auch andere Verzahnungsprinzipien am Zahnkranz 16 verwirklicht sein. Insbesondere können gerade und schräg verzahnte Ausführungen bedient werden.
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2 zeigt in schematischer Weise einen Radkörper 14, der aus Radkörperscheiben 34, 36 gebildet ist.
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Auf der Welle 12 sind koaxial eine erste Radkörperscheibe 34 und eine zweite Radkörperscheibe 36 aufgenommen. Die Welle 12 rotiert im Drehsinn 38. An den Außenumfangsflächen der ersten Radkörperscheibe 34 und der zweiten Radkörperscheibe 36 ist eine Kontaktfläche 44 ausgebildet, mit welcher der in 1 dargestellte Zahnkranz 16 verbunden wird. Die beiden in der schematischen Darstellung gemäß 2 koaxial auf der Welle 12 aufgenommenen Radkörperscheiben 34, 36 können als Ganzes aus einem Material mit viskoelastischen Eigenschaften gefertigt werden oder aber - vgl. Darstellung gemäß 3 - mehrere Feststoff-Segmente 40 umfassen.
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3 zeigt eine Ansicht eines Radkörpers 14, der mehrere Feststoff-Segmente 40 umfasst, die in Umfangsrichtung nebeneinanderliegend angeordnet sind. Die einzelnen Feststoff-Segmente 40 sind durch einzelne Radialstege 42 voneinander getrennt. Der Radkörper 14 ist auf der Welle 12 aufgenommen, wobei die Wellen-Naben-Verbindung 18 zwischen dem Radkörper 14 und der Welle 12 als Reibschlussverbindung, Formschlussverbindung, Kraftschlussverbindung oder einer Kombination dieser Verbindungsmöglichkeiten ausgestaltet sein kann.
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Auf der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kontaktfläche 44 des Radkörpers 14 ist der in 1 dargestellte Zahnkranz 16 aufgenommen, an dessen Außenumfang sich die die Verzahnung darstellenden Zähne 21 befinden.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10617831 A1 [0002]
- DE 102007063422 B4 [0003]
