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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Getriebeverzahnung zwischen zwei miteinander kämmenden Verzahnungselementen, wie sie beispielsweise als Bestandteil eines Getriebeantriebs in Komfortantrieben von Kraftfahrzeugen, wie Schiebedachantrieben, Fensterheberantrieben o.ä. eingesetzt wird.
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Stand der Technik
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Getriebeverzahnungen zwischen zwei miteinander kämmenden Verzahnungselementen sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt, z.B. in Form von miteinander kämmenden Zahnrädern o.ä. Elementen. Zur Kraft- bzw. Drehmomentübertragung zwischen den miteinander kämmenden Verzahnungselementen weisen diese jeweils speziell geometrisch geformte Zahnelemente auf, deren Geometrie aufeinander abgestimmt ist, um beispielsweise eine gleichmäßige Drehmomentübertragung bei hohem Wirkungsgrad und geringem Verschleiß zu ermöglichen. Dabei hat sich die sogenannte Evolventengeometrie als Grundgeometrie zur Ausbildung an den Zahnelementen als zuverlässige und übliche, da auch relativ einfach fertigbare Geometrie etabliert.
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Weiterhin ist es bekannt, dass die Verzahnungselemente auch aus unterschiedlichen Materialien bzw. aus Materialien mit unterschiedlich hohem E-Modul bestehen können. Typischerweise finden dabei Metall- /Kunststoffpaarungen für die Verzahnungselemente Verwendung, um beispielsweise für einen relativ geräuscharmen Betrieb eines Getriebes o.ä. zu sorgen. Insbesondere bei der Übertragung von hohen Drehmomenten neigen derartige Materialpaarungen ggf. jedoch zu einer erhöhten Geräuschbildung aufgrund einer Schwingungsanregung. Diese Schwingungsanregung wird durch Kraftanteile bei der Drehmomentenübertragung erzeugt, die sowohl parallel als auch nicht parallel zur Eingriffsgeraden verlaufen. Diese Kraftanteile werden wiederum insbesondere verursacht durch eine (elastische) Deformation des einen geringeren E-Modul aufweisenden Verzahnungselements. Die Schwingungsanregung mit einer ggf. damit resultierenden Geräuscherhöhung sollte beispielsweise bei einem Komfortantrieb in einem Fahrzeug möglichst gering gehalten werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Getriebeverzahnung zwischen zwei miteinander kämmenden Verzahnungselementen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie bei Verwendung von einen stark unterschiedlichen E-Modul aufweisenden, miteinander kämmenden Verzahnungselementen einen relativ geräuscharmen bzw. leisen Betrieb, auch bei der Übertragung relativ hoher Drehmomente, ermöglicht.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass die bei der Übertragung der Drehmomente auf das geringeren E-Modul aufweisenden Verzahnungselement wirkenden Verformungskräfte, die zu einer elastischen Deformation und damit zur Erzeugung von parallel und nicht parallel zur Eingriffslinie verlaufenden Kraftanteilen führt, dadurch auszugleichen, dass beispielsweise das den höheren E-Modul aufweisende Verzahnungselement eine gegenüber bei einer üblichen Grundgeometrie des Verzahnungselements geringere Steifigkeit aufweist, die vorzugsweise durch eine geringere Dicke des Zahnelements über der Zahnhöhe erreicht wird. Dadurch werden die erwähnten Kraftanteile reduziert, was sich auch in einer geringeren Drehmomentwelligkeit bei der Kraftübertragung äußert und zu einer geringeren Geräuschanregung führt.
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Anstelle einer geometrischen „Verschlankung“ des Zahnelements des den höheren E-Modul aufweisenden Verzahnungselements kann es selbstverständlich auch vorgesehen sein, das Zahnelement des den geringeren E-Moduls aufweisenden Verzahnungselements mit einer im Vergleich zur Grundgeometrie vergrößerten Zahndicke auszustatten. Ein ähnlicher Effekt - wie oben beschrieben - wird erzielt, wenn die beiden Zahnelemente der beiden Verzahnungselemente unterschiedliche Eingriffswinkel aufweisen.
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Wesentlich ist dabei, dass sowohl die unterschiedliche Geometrie bzw. Zahndicke an wenigstens einem der beiden Verzahnungselemente, als auch die unterschiedlichen Eingriffswinkel an den beiden Verzahnungselementen sowohl einzelnen, als auch in Kombination angewendet werden können.
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Somit schlägt es die Lehre der Erfindung vor, eine Getriebeverzahnung zwischen zwei miteinander kämmenden Verzahnungselementen vorzusehen, wobei die beiden Verzahnungselemente zumindest im Bereich deren zusammenwirkende Zahnelemente aus Materialien mit unterschiedlichem E-Modul bestehen, wobei das erste Verzahnungselement aus Metall oder Kunststoff und das zweite Verzahnungselement aus Kunststoff besteht, wobei das erste Verzahnungselement einen E-Modul aufweist, der wenigstens drei Mal größer ist als der E-Modul des zweiten Verzahnungselements, wobei das Zahnelement an dem ersten Verzahnungselement eine aufgrund einer ersten Grundgeometrie ausgebildete erste Zahngeometrie und das Zahnelement an dem zweiten Verzahnungselement eine aufgrund einer zweiten Grundgeometrie ausgebildete zweite Zahngeometrie aufweist, wobei eine Zahndicke an wenigstens einem Zahnelement von einem Zahnfussbereich in Richtung eines Zahnkopfbereichs aufgrund der beiden Grundgeometrien abnimmt, und wobei entweder
- - die Abnahme der Zahndicke an dem wenigstens einen ersten Zahnelement aufgrund einer von der ersten Grundgeometrie abweichenden ersten Geometrievorschrift ausgebildet ist, wobei die erste Geometrievorschrift eine gegenüber der ersten Grundgeometrie vergrößerte Abnahme der Zahndicke vorsieht, und wobei die vergrößerte Abnahme der Zahndicke in einem Bereich ab mindestens einem Drittel der Zahnhöhe, betrachtet ab dem Zahnfussbereich in Richtung des Zahnkopfbereichs ausgebildet ist, oder
- - die Abnahme der Zahndicke an dem wenigstens einen zweiten Zahnelement aufgrund einer von der zweiten Grundgeometrie abweichenden zweiten Geometrievorschrift ausgebildet ist, wobei die zweite Geometrievorschrift eine gegenüber der zweiten Grundgeometrie verringerte Abnahme der Zahndicke vorsieht, und wobei die verringerte Abnahme der Zahndicke in einem Bereich ab mindestens einem Drittel der Zahnhöhe, betrachtet ab dem Zahnfussbereich in Richtung des Zahnkopfbereichs ausgebildet ist,
oder/und
- - die beiden Zahnelemente der beiden Verzahnungselemente im lastfreien Zustand unterschiedliche Eingriffswinkel aufweisen.
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Die soweit beschriebene modifizierte Geometrie der Getriebeverzahnung bewirkt eine Verringerung der Kraftanregungen beim Betrieb unter Last, die durch die Parameter der Steifigkeitsveränderung und des Zahneingriffs entlang des Eingriffs und der Kraftanteile, die sowohl parallel als auch nicht parallel zur Eingriffsgeraden zeigen, erzeugt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Getriebeverzahnung zwischen zwei miteinander kämmenden Verzahnungselementen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Getriebeverzahnung sieht vor, dass die Abnahme der Zahndicke aufgrund der Zahngeometrie an dem wenigstens einen ersten Zahnelement ausgebildet ist, und dass das erste Verzahnungselement zumindest im Wesentlichen aus Stahl oder Aluminium besteht.
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Alternativ ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Abnahme der Zahndicke aufgrund der ersten Geometrievorschrift an dem wenigstens einen ersten Zahnelement ausgebildet ist, und dass das erste Verzahnungselement zumindest im Wesentlichen aus einem faserverstärkten Kunststoff mit einem E-Modul größer als 15.000 N/mm2 und das zweite Verzahnungselement aus einem Kunststoff mit einem E-Modul von höchstens 5.000 N/mm2 besteht.
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Als besonders bevorzugte Grundgeometrie hat sich aus fertigungstechnischer Sicht insbesondere eine Evolventengeometrie herausgestellt. Daher ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Grundgeometrie an dem Zahnelement des ersten Verzahnungselements und vorzugsweise auch an dem Zahnelement des zweiten Verzahnungselements jeweils als Evolvente ausgebildet ist.
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Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass an dem Zahnelement des zweiten Verzahnungselements eine von einer Evolvente abweichende zweite Grundgeometrie ausgebildet ist.
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Für den Fall, dass die beiden Zahnelemente unterschiedliche Eingriffswinkel aufweisen, hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Differenz der beiden Eingriffswinkel zwischen 0,25° und 6°, vorzugsweise etwa 3° beträgt, wobei das den größeren E-Modul aufweisende Zahnelement den größeren Eingriffswinkel aufweist.
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Auch hinsichtlich der Verringerung bzw. Vergrößerung der Zahndicke gegenüber der Grundgeometrie über der Zahnhöhe gibt es unterschiedliche Möglichkeiten: So sieht es eine erste, besonders bevorzugte, da relativ einfach herzustellende Abweichung von der Grundgeometrie vor, für den Fall, dass eine Verringerung oder Vergrößerung der Zahndicke gegenüber der ersten und/oder zweite Grundgeometrie vorgesehen ist, die Verringerung oder Vergrößerung der Zahndicke linear mit der Zahnhöhe erfolgt, derart, dass die Verringerung oder Vergrößerung in Richtung des Zahnkopfbereichs zunimmt.
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Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, für den Fall, dass eine Verringerung oder Vergrößerung der Zahndicke gegenüber der ersten und/oder zweiten Grundgeometrie vorgesehen ist, die Verringerung oder Vergrößerung der Zahndicke nach einer quadratischen, kubischen oder sonstigen, nichtlinearen Funktion über die Zahnhöhe erfolgt.
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Ein typischer Anwendungsfall einer derartigen Getriebeverzahnung besteht darin, dass das erste Verzahnungselement als (metallische) Schnecke und das zweite Verzahnungselement als Zahnrad aus Kunststoff ausgebildet ist.
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Eine derartige Ausgestaltung der beiden Verzahnungselemente findet darüber hinaus bevorzugt Verwendung als Bestandteil eines Komfortantriebs in einem Kraftfahrzeug, wie einem Schiebedachantrieb, einem Fensterheberantrieb oder dergleichen. Derartige Antriebe sind in sofern besonders bevorzugt für die Erfindung anwendbar, da bei diesen durch den Bediener ggf. besonders leicht erhöhte Geräusche wahrnehmbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Getriebeverzahnung zwischen zwei miteinander kämmenden Verzahnungselementen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein mit einer Getriebeschnecke kämmendes Zahnrad, wobei die Getriebeschnecke aus Metall und das Zahnrad aus Kunststoff besteht,
- 2 einen Verzahnungsabschnitt der Getriebeschnecke gemäß 1 mit einer konventionellen Evolventengeometrie sowie einer erfindungsgemäß abgewandelten Geometrie und
- 3 eine Darstellung eines Verzahnungsbereichs zweier miteinander in lastfreiem Zustand kämmender Verzahnungselemente, bei denen die beiden Zahnelemente unterschiedliche Eingriffswinkel aufweisen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine in einer ersten Drehachse 12 gelagerte Antriebsschnecke 14 als erstes Verzahnungselement 16 und ein mit dem ersten Verzahnungselement 16 zusammenwirkendes, in einer zweiten Drehachse 18 drehbar gelagertes Zahnrad 20 als zweites Verzahnungselement 22 einer Getriebeverzahnung 1 dargestellt. Die beiden Verzahnungselemente 16, 22 finden bevorzugt Verwendung in einem Komfortantrieb 100 eines Fahrzeugs, wobei unter einem derartigen Komfortantrieb 100 beispielsweise, und nicht abschließend, ein Schiebedachantrieb, ein Fensterheberantrieb, ein Sitzverstellungsantrieb oder dergleichen verstanden wird.
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Insbesondere ist das erste Verzahnungselement 16 bzw. die Antriebsschnecke 14 von einem nicht dargestellten Elektromotor (unmittelbar) angetrieben, sodass von der Antriebsschnecke 16 auf das Zahnrad 20 ein Drehmoment Md übertragen wird. Weiterhin besteht die Antriebsschnecke 14 bevorzugt aus Metall, insbesondere aus Stahl, wobei der E-Modul des Materials der Antriebsschnecke 14 typischerweise etwa 210.000 N/mm2 beträgt. Demgegenüber besteht das Material des Zahnrads 20 bzw. des zweiten Verzahnungselements 22 aus Kunststoff, beispielsweise POM, mit einem typischen E-Modul von etwa 5.000 N/mm2.
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Von dem ersten Verzahnungselement 16 bzw. der Antriebsschnecke 14 wird dabei typischerweise ein Drehmoment von bis zu 10Nm am Zahnrad 20 bei einer Drehzahl von bis zu 4.000 Umdrehungen pro Minute an der Antriebsschnecke 14 übertragen.
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Die an der Antriebsschnecke 16 umlaufende Wendel 24 stellt ein erstes Zahnelement 25 dar, dessen Geometrie entsprechend der 2 mittels einer ersten Geometrievorschrift als modifizierte Evolvente 26 ausgebildet ist. Das zweite Verzahnungselement 22 bzw. das Zahnrad 20 weist eine Vielzahl von Zähnen als zweite Zahnelemente 28 auf, deren Geometrie gemäß einer zweiten Geometrievorschrift beispielhaft ebenfalls als modifizierte Evolvente 26 ausgebildet sind.
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In der 2 ist das (erste) Zahnelement 25 der Wendel 24 im Detail dargestellt. Insbesondere erkennt man zwei unterschiedliche Evolventen 26, 26a. Die Evolvente 26a an der Wendel 24 bzw. dem Zahnelement 25 ergibt sich aus einer ersten Grundgeometrie und ist als (übliche) Evolvente 26a ausgebildet. Die aufgrund der ersten Geometrievorschrift erfindungsgemäß vorgesehene Evolvente 26 modifiziert die Evolvente 26a dadurch, dass eine Zahndicke d des ersten Zahnelements 25 über der Zahnhöhe h stärker abnimmt, als dies bei der ersten Grundgeometrie der Evolvente 26a vorgesehen ist.
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Insbesondere erkennt man, dass ab einem Durchmesser dk in Richtung eines Zahnkopfbereichs 29 durch die erste Geometrievorschrift eine von der ersten Grundgeometrie abweichende Geometrie an dem ersten Zahnelement 25 erzeugt wird. Das bedeutet, dass in einem Zahnfussbereich 30 die erste Geometrievorschrift mit der ersten Grundgeometrie identisch ist, so dass die Evolvente 26 und die Evolvente 26a bzw. das erste Zahnelement 25 bis zum Durchmesser dk identisch ausgebildet ist. Ab dem Durchmesser dk sieht die erste Geometrievorschrift eine lineare Abnahme der Zahndicke s um beispielsweise 20% gegenüber der Abnahme der Zahndicke s der ersten Grundgeometrie vor. Unter einer linearen Abnahme der Zahndicke s wird dabei verstanden, dass die Zahndicke s, beginnend ab dem Durchmesser dk mit einer Abnahme von 0% sich in Richtung zum Zahnkopfbereich 29 gegenüber der Abnahme der Grundgeometrie zusätzlich linear um bis zu 20% verringert. Dabei ist der gerundet ausgebildete Zahnkopfbereich 29 nicht in der gleichen Art und Weise betroffen, da sowohl die Evolvente 26a als auch die Evolvente 26 am ersten Zahnelement 25 denselben maximalen Zahnkopfdurchmesser da aufweisen.
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Zusätzlich wird erwähnt, dass die erste Geometrievorschrift gegenüber der ersten Grundvorschrift typischerweise eine abweichende Geometrie im Bereich der Eingriffslinie bzw. des Eingriffspunkts zwischen den beiden Zahnelementen 25, 28 erzeugt. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass der Bereich des Durchmessers dk , ab dem die abweichende Geometrie durch die erste Geometrievorschrift in Richtung zum Zahnkopfbereich 29 erzeugt wird, ab einem Drittel der Zahnhöhe H des Zahnelements 25 beträgt.
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Die mit dem ersten Zahnelement 25 zusammenwirkenden zweiten Zahnelemente 28 an dem Zahnrad 20 weisen typischerweise eine Evolventengeometrie anhand einer zweiten Grundvorschrift auf, d.h. dass deren Geometrie gegenüber einer klassischen Evolvente nicht modifiziert ist.
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Weiterhin wird erwähnt, dass es in analoger Weise möglich ist, an dem ersten Zahnelement 25 eine erste Grundgeometrie in Form der Evolvente 26a auszubilden, und an den zweiten Zahnelementen 28 eine zweite Geometrievorschrift, die gegenüber einer zweiten (als Evolvente) Grundgeometrie verringerte Abnahme der Zahndicke s durch eine vorzugsweise lineare Erhöhung der Zahndicke s über der Zahnhöhe H gegenüber der zweiten Grundvorschrift vorsieht.
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In der 3 ist in Form eines axialen Schnitts dargestellt, wie die beiden Verzahnungselemente 16, 22 miteinander (ohne Last) in Wirkverbindung zueinander stehen. Insbesondere erkennt man dabei auch einen Eingriffswinkel α1 am ersten Verzahnungselement 16 und einen Eingriffswinkel α2 an dem zweiten Verzahnungselement 22, wobei die beiden Eingriffswinkel α1 , α2 unterschiedlich groß sind, und wobei der Eingriffswinkel α1 am ersten Verzahnungselement 16 bzw. am ersten Zahnelement 25 größer ist als der Eingriffswinkel α2 am zweiten Verzahnungselement 22 bzw. am zweiten Zahnelement 28. Die erkennt man beim lastfreien Drehen des Verzahnungselements 16 in Richtung des Pfeils 31 an der zwischen den Zahnelementen 25, 28 entstehenden Lücke 32. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Unterschied der beiden Eingriffswinkel α1 , α2 zwischen 0,25° und 6°, vorzugsweise etwa 3°, beträgt.
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Die soweit beschriebene Getriebeverzahnung 1 der beiden Verzahnungselemente 16, 22 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
