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Die Erfindung betrifft ein Zahnrad umfassend eine erste Ringstruktur, eine zweite Ringstruktur und eine Füllstruktur. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Zahnrads sowie eine Vorrichtung umfassend das Zahnrad.
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Stand der Technik
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Elektrische Antriebe, insbesondere von Fahrzeugen, können durch verschiedene Energiequellen mit Energie versorgt werden. Bekannt sind insbesondere Batterien und Brennstoffzellen.
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Batterien zeichnen sich durch eine hohe Dynamik, geringe Lade- und Entladeverluste sowie die Möglichkeit der Energierekuperation aus.
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Als Brennstoffzellen sind unter anderem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, die auch als PEM-Brennstoffzellen oder PEMFCs bezeichnet werden, bekannt. Weiterhin sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als SOFC-Brennstoffzellen bezeichnet werden, beschrieben.
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Da in der Elektromobilität auf einen Verbrennungsmotor verzichtet werden kann, sind elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, wie Personenkraftwagen (PKW), Nutzfahrzeuge (NKW) oder Busse deutlich leiser als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor.
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Durch den leiseren Betrieb des Antriebs werden andere Geräusche des Fahrzeugs, die im Fahrbetrieb entstehen, stärker wahrgenommen und beeinträchtigen das Fahrerlebnis der Fahrzeuginsassen.
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Daher rückt bei der Entwicklung von Komponenten für elektrisch angetriebene Fahrzeuge die Geräuschentwicklung, die von den im Fahrzeug verbauten Komponenten ausgeht, in den Vordergrund. Es besteht Bedarf an elektrischen Antriebseinheiten, die auch als E-Achse bezeichnet werden, welche eine minimierte Geräuschentwicklung bieten.
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Einige Komponenten im Fahrzeugbau umfassen Getriebe, die Zahnräder aufweisen. Insbesondere Grundkörper der Zahnräder werden üblicherweise durch Gießen, Fräsen oder Drehen von Metall hergestellt. Die Zähne der Zahnräder werden dann durch Stoßen, Fräsen oder Drahterodieren geformt.
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Durch die Geometrie der Zahnräder ergibt sich eine starre Konstruktion. Beim Abwälzen der einzelnen Zähne verschiedener Zahnräder aufeinander entsteht ein metallisches Geräusch, das durch die starr oder steif konstruierten Zahnräder verstärkt wird. Insbesondere metallische Zahnräder wirken wie ein Klangkörper und verstärken die Geräusche weiterhin.
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DE 10 2014 210 253 A1 beschreibt ein Getriebe für eine in der Höhe verstellbare Ablage. Es ist ein Verfahren dargestellt, bei dem eine Antriebswelle betrieben und eine Rotationsbewegung von der Antriebswelle auf ein Zahnrad übertragen wird.
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DE 103 26 819 A1 ist auf ein Zahnrad für ein Lenksystemgetriebe gerichtet. Das Zahnrad ist in Schneckengetrieben oder Schraubradgetrieben und in Lenksystemen, insbesondere in Servolenksystemen, für ein Kraftfahrzeug einsetzbar.
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EP 3 502 190 A1 hat eine abriebbeständige Polyamid-Formmasse zum Gegenstand, die als Beschichtung von Zahnrädern, Lagerschalen, Führungsbuchsen oder Lagergehäusen für Getriebe verwendet werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Zahnrad vorgeschlagen umfassend eine erste Ringstruktur, eine zweite Ringstruktur und eine Füllstruktur, wobei die erste Ringstruktur, die zweite Ringstruktur und die Füllstruktur konzentrisch angeordnet sind und die Füllstruktur zwischen der ersten Ringstruktur und der zweiten Ringstruktur angeordnet ist und wobei die erste Ringstruktur und die zweite Ringstruktur aus einem metallischen Material gefertigt sind und die Füllstruktur aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist.
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Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung des Zahnrads vorgeschlagen, wobei die erste Ringstruktur, die zweite Ringstruktur und/oder die Füllstruktur mit einem additiven Verfahren hergestellt und/oder gegossen werden. Bevorzugt werden die erste Ringstruktur und die zweite Ringstruktur mit einem additiven Verfahren hergestellt. Die Füllstruktur wird bevorzugt gegossen.
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Die erste Ringstruktur und/oder die zweite Ringstruktur können alternativ auch durch Spanen oder Drahterodieren hergestellt werden.
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Die Erfindung ist auch auf eine Vorrichtung gerichtet, die das Zahnrad umfasst. Die Vorrichtung ist bevorzugt eine elektrische Antriebseinheit für ein Fahrzeug, eine Parksperre für ein Fahrzeug, ein Elektrowerkzeug oder ein Haushaltsgerät. Weiter bevorzugt ist die Vorrichtung eine Parksperre für ein, insbesondere ausschließlich, elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
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Die erste Ringstruktur ist bevorzugt eine äußere Ringstruktur und die zweite Ringstruktur ist bevorzugt eine innere Ringstruktur des Zahnrads. Bevorzugt weist die erste Ringstruktur einen ersten Durchmesser auf und die zweite Ringstruktur einen zweiten Durchmesser. Der erste Durchmesser ist weiter bevorzugt größer als der zweite Durchmesser.
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Die Füllstruktur ist bevorzugt in Form einer Scheibe, insbesondere mit einem mittleren Loch, ausgebildet. Weiter bevorzugt weist die Füllstruktur einen dritten Durchmesser auf, der größer ist als der zweite Durchmesser und kleiner ist als der erste Durchmesser.
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Unter dem Durchmesser wird insbesondere ein mittlerer Durchmesser verstanden.
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Bevorzugt befindet sich zwischen der ersten Ringstruktur und der zweiten Ringstruktur ein Hohlraum, in dem die Füllstruktur angeordnet ist und der insbesondere von der Füllstruktur ausgefüllt wird.
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Bevorzugt bestehen die erste Ringstruktur und die zweite Ringstruktur aus dem metallischen Material. Das metallische Material ist insbesondere ein Metall, eine Metalllegierung oder eine intermetallische Verbindung. Weiter bevorzugt besteht die Füllstruktur aus dem Kunststoffmaterial. Das Kunststoffmaterial ist insbesondere ein Kunststoff oder eine Mischung enthaltend mindestens einen Kunststoff.
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Bevorzugt enthalten das metallische Material Stahl und/oder das Kunststoffmaterial Caprolactam. Weiter bevorzugt bestehen das metallische Material aus Stahl und/oder das Kunststoffmaterial aus Caprolactam. Caprolactam ist ein Ausgangsstoff für die Herstellung von Polyamid 6, das auch als Perlon bezeichnet wird.
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Das Kunststoffmaterial kann eine Mischung aus Caprolactam und einer weiteren Komponente, wie einem Elastomer, enthalten. Dies führt zu einer weiter verbesserten geräuschdämpfenden Eigenschaft.
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Die erste Ringstruktur weist bevorzugt einen ersten äußeren Umfang und einen ersten inneren Umfang auf. Die zweite Ringstruktur weist bevorzugt einen zweiten äußeren Umfang und einen zweiten inneren Umfang auf.
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Bevorzugt weist die erste Ringstruktur an dem ersten äußeren Umfang Zähne zum Eingriff in ein weiteres, insbesondere benachbartes, Zahnrad zur Kraftübertragung auf. Die Zähne umfassen bevorzugt das metallische Material, weiter bevorzugt bestehen die Zähne aus dem metallischen Material.
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Weiterhin weist die zweite Ringstruktur, insbesondere an dem zweiten inneren Umfang, bevorzugt eine innere Öffnung zur Aufnahme einer Welle auf. Die innere Öffnung der zweiten Ringstruktur ist bevorzugt eine Bohrung und die Welle ist bevorzugt eine Getriebewelle.
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In dem Verfahren zur Herstellung des Zahnrads werden bevorzugt zunächst die erste Ringstruktur und die zweite Ringstruktur mittels des additiven Verfahrens, wie 3D-Druck, hergestellt, dann gegebenenfalls zueinander ausgerichtet und anschließend wird der Hohlraum zwischen der ersten Ringstruktur und der zweiten Ringstruktur mit dem Kunststoffmaterial ausgegossen.
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Durch den 3D-Druck erhalten die erste Ringstruktur und die zweite Ringstruktur eine raue Oberfläche, wodurch bevorzugt eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoffmaterial und der ersten Ringstruktur und/oder der zweiten Ringstruktur ausgebildet wird. Durch die raue Oberfläche können auch dünnflüssige Kunststoffmaterialien eingesetzt werden. Nach dem Ausgießen wird das Kunststoffmaterial bevorzugt gehärtet. Anschließend wird das Zahnrad gegebenenfalls nachbearbeitet und ausgewuchtet.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Zahnrads sind die erste Ringstruktur und die zweite Ringstruktur durch Verbindungsstrukturen aus dem metallischen Material verbunden, wobei die Verbindungsstrukturen jeweils eine Wanddicke von weniger als 3,5 mm aufweisen. Die Wanddicke liegt mehr bevorzugt in einem Bereich von 0,2 mm bis 3 mm. Durch die Wahl der Wanddicke kann eine Steifigkeit der Verbindungsstrukturen eingestellt werden.
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Die Verbindungsstrukturen sind insbesondere in dem Hohlraum angeordnet. Bevorzugt sind der erste innere Umfang der ersten Ringstruktur und der zweite äußere Umfang der zweiten Ringstruktur durch die Verbindungsstrukturen miteinander verbunden. Weiter bevorzugt sind die Verbindungsstrukturen in der Füllstruktur angeordnet.
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Die Verbindungsstrukturen können auch als bionische Innenkontur bezeichnet werden. Insbesondere bilden die Verbindungsstrukturen Formen ab aus zum Beispiel Bienenwaben, menschlichen Knochen und/oder Korallen.
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Die Verbindungsstrukturen werden bevorzugt durch ein additives Fertigungsverfahren wie 3D-Druck hergestellt und sind flexibel gestaltbar. Nach Herstellung der Verbindungsstrukturen wird bevorzugt der Hohlraum zwischen der ersten Ringstruktur und der zweiten Ringstruktur, in dem die Verbindungsstrukturen bereits vorliegen, mit dem Kunststoffmaterial ausgegossen. Da die erste Ringstruktur und die zweite Ringstruktur durch die Verbindungsstrukturen bereits zueinander ausgerichtet sind, kann hier beim Ausgießen auf ein Ausrichten verzichtet werden.
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Ferner können die Verbindungsstrukturen einen jeweils abschließenden ersten und zweiten Deckel aufweisen, die jeweils im Wesentlichen orthogonal zu einer Wellenachse angeordnet sind, so dass eine geschlossene Innenkontur gebildet wird. Durch den ersten und zweiten Deckel kann auf eine Ausgießvorrichtung verzichtet werden und die geschlossene Innenkontur, umfassend die Verbindungsstrukturen und den ersten und den zweiten Deckel, kann direkt mit dem Kunststoffmaterial ausgegossen werden.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Zahnrads sind die erste Ringstruktur und die zweite Ringstruktur durch die Füllstruktur voneinander getrennt. In der zweiten Ausführungsform besteht kein direkter Kontakt zwischen der ersten Ringstruktur und der zweiten Ringstruktur, so dass diese sich nicht direkt berühren. Insbesondere weisen die erste Ringstruktur und die zweite Ringstruktur in dieser Ausführungsform keine Verbindung aus dem metallischen Material auf.
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In der zweiten Ausführungsform ist bevorzugt der erste innere Umfang der ersten Ringstruktur und/oder der zweite äußere Umfang der zweiten Ringstruktur vollständig von der Füllstruktur, insbesondere von dem Kunststoffmaterial, bedeckt.
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Bevorzugt weisen die erste Ringstruktur an dem ersten inneren Umfang und/oder die zweite Ringstruktur an dem zweiten äußeren Umfang Vorsprünge auf, die auch als Ausbuchtungen, Zapfen oder Mitnehmer bezeichnet werden können. Die Vorsprünge können formschlüssig Kräfte zwischen der Füllstruktur und der ersten Ringstruktur und/oder der zweiten Ringstruktur übertragen.
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Die Füllstruktur weist bevorzugt Einbuchtungen auf, die auch als Kerben oder Aussparungen bezeichnet werden können und die insbesondere in ihrer Form den Vorsprüngen entsprechen.
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Bevorzugt umfassen die Vorsprünge das metallische Material, weiter bevorzugt bestehen die Vorsprünge aus dem metallischen Material. Die Vorsprünge sind insbesondere T-förmig ausgebildet, was zur Vergrößerung einer Kontaktfläche zwischen der ersten Ringstruktur beziehungsweise der zweiten Ringstruktur und der Füllstruktur führt, so dass eine Verzahnung zwischen der ersten Ringstruktur beziehungsweise der zweiten Ringstruktur und der Füllstruktur ermöglicht wird.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Kombination der ersten Ringstruktur und der zweiten Ringstruktur mit der Füllstruktur aus dem Kunststoffmaterial können Geräusche, die durch Betrieb des Zahnrads entstehen, minimiert werden. Durch das Einbetten der Füllstruktur aus dem Kunststoffmaterial in das Zahnrad wird ein Klangkörper, der durch metallische Elemente des Zahnrads gebildet wird, unterbrochen, so dass insbesondere ein Getriebe, das das Zahnrad aufweist, leiser läuft.
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Entsprechend kann für die Insassen eines Fahrzeugs, in dem das Zahnrad verbaut ist, ein angenehmeres Fahrgefühl gewährleistet werden.
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Ferner kann durch Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens die Geometrie, insbesondere der Füllstruktur sowie der die Füllstruktur umgebenden Umfänge der ersten Ringstruktur beziehungsweise der zweiten Ringstruktur, frei gestaltet werden. Es können komplexere Bauteile ohne zusätzlichen Aufwand hergestellt werden, was zu einem höheren Kopierschutz führt. Darüber hinaus wird bei additiv hergestellten Bauteilen, also der ersten und zweiten Ringstruktur, eine raue Oberfläche erzeugt, was eine gute formschlüssige Verbindung mit flüssigem Kunststoff und insbesondere mit der Füllstruktur ermöglicht.
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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 Zahnräder gemäß dem Stand der Technik,
- 2 ein Zahnrad mit einer ersten Ringstruktur, einer zweiten Ringstruktur und Verbindungsstrukturen,
- 3 eine erste Ringstruktur und eine zweite Ringstruktur für ein Zahnrad und
- 4 ein Zahnrad umfassend eine erste Ringstruktur, eine zweite Ringstruktur und eine Füllstruktur.
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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 schematisch mehrere Zahnräder 1 gemäß dem Stand der Technik. Die Zahnräder 1 sind vollständig aus einem metallischen Material 9 hergestellt und gegossen. Durch den Eingriff von starren Zähnen 19 der Zahnräder 1 ineinander entsteht ein Geräusch, das von den Zahnrädern 1 aus dem metallischen Material 9 nicht gedämpft werden kann.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Zahnrads 1, das eine erste Ringstruktur 3 und eine zweite Ringstruktur 5 aufweist, die durch Verbindungsstrukturen 13 miteinander verbunden sind. Die Verbindungsstrukturen 13 weisen eine geringe Wanddicke 15 auf. Ferner sind die Verbindungsstrukturen 13 wie die erste Ringstruktur 3 und die zweite Ringstruktur 5 aus metallischem Material 9 gefertigt.
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Zwischen die erste Ringstruktur 3 und die zweite Ringstruktur 5, insbesondere um die Verbindungsstrukturen 13 herum, kann ein Kunststoffmaterial 11 gegossen werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ringstruktur 3 und einer zweiten Ringstruktur 5 für ein Zahnrad 1. Die erste Ringstruktur 3 weist einen größeren Durchmesser als die zweite Ringstruktur 5 auf. Ferner besitzt die erste Ringstruktur 3 einen ersten inneren Umfang 21 und einen ersten äußeren Umfang 17. Die zweite Ringstruktur 5 weist einen zweiten äußeren Umfang 23 auf sowie eine innere Öffnung 27 zur Aufnahme einer Welle, die von der zweiten Ringstruktur 5 umschlossen wird, auf.
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Zwischen der ersten Ringstruktur 3 und der zweiten Ringstruktur 5 ist ein Hohlraum 29 ausgebildet und die erste Ringstruktur 3 weist an dem ersten äußeren Umfang 17 Zähne 19 auf, die in ein benachbartes Zahnrad 1 eingreifen können.
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Darüber hinaus weisen die erste Ringstruktur 3 an dem ersten inneren Umfang 21 und die zweite Ringstruktur 5 an dem zweiten äußeren Umfang 23 Vorsprünge 25 auf. Die Vorsprünge 25 sind T-förmig ausgebildet und ragen in den Hohlraum 29 hinein.
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Die erste Ringstruktur 3 und die zweite Ringstruktur 5 bestehen einschließlich der Zähne 19 und der Vorsprünge 25 aus dem metallischen Material 9.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Zahnrads 1, das die erste Ringstruktur 3 und die zweite Ringstruktur 5 umfasst. Der Hohlraum 29 ist hier mit einem Kunststoffmaterial 11 ausgegossen, das die Füllstruktur 7 bildet. Die Füllstruktur 7 trennt die erste Ringstruktur 3 von der zweiten Ringstruktur 5 und umschließt die Vorsprünge 25.
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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 102014210253 A1 [0010]
- DE 10326819 A1 [0011]
- EP 3502190 A1 [0012]
