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Die Offenbarung bezieht sich allgemein auf eine Getriebebaugruppe und insbesondere auf eine Getriebebaugruppe mit einer optimierten Konfiguration für die Eingriffssteifigkeit. Die optimierte Konfiguration reduziert effektiv Geräusche, Vibrationen und Fresswiderstand. Zahnräder stellen eine praktische Methode zur Übertragung von Bewegung und mechanischer Leistung zwischen Paaren rotierender Wellen dar. Aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Vielseitigkeit sind Zahnräder eines der am häufigsten verwendeten Maschinenelemente in Kraftübertragungssystemen. Getriebe werden in einer Reihe von Branchen eingesetzt, z. B. in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt und in anderen Bereichen. Die Erfüllung der verschiedenen Leistungsparameter von Getrieben stellt aufgrund der inhärenten Kompromisse bei der Konstruktion, wie z. B. Geräusch- und Vibrationsentwicklung (NVH) und Fresssicherheit, nach wie vor eine Herausforderung dar. Die Systemdynamik von Getrieben ist generell empfindlich gegenüber Übertragungsfehlern. Diese Effekte sind bei Getriebesystemen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Leistungsdichte in elektrischen Antriebseinheiten besonders ausgeprägt.
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US 2020 / 0 393 031 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen und Verstärken eines Verbundzahnrads, umfassend das Bereitstellen eines Basismaterials, das ein Polymer umfasst, und das Bilden eines Verbundzahnrads aus dem Basismaterial, wobei das Verbundzahnrad einen Zahnradkörper und mindestens einen Zahnradzahn aufweist, der sich von dem Zahnradkörper erstreckt, wobei der mindestens eine Zahn vorhanden ist Zahnradzahn mit einer Zahnfläche, einer Zahnflanke, einer Zahnverrundung, einem Zahnfuß und einer Zahnspitze.
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DE 10 2014 104 949 A1 beschreibt ein Zahnrad und ein Verfahren zum Herstellen des Zahnrads. Das Zahnrad umfasst ein Innenteil, ein Verbindungsteil und Zähne, wobei jeder Zahn einen Zahnkörper und Zahnflanken umfasst, wobei der Zahnkörper durch das Verbindungsteil gebildet ist und die Zahnflanken durch eine zusätzliche Zahnhülle gebildet sind.
US 2019 / 0 316 669 A1 umfasst Zahnräder mit Biegenachgiebigkeit im äußeren Abschnitt der Zahnradzähne, um Zahnradgeräusche zu reduzieren. Die vorliegende Vorrichtung verringert die Schwankung der Zahnradsteifigkeit durch Einführen einer Biegenachgiebigkeit in den äußeren Abschnitt des Zahnradzahns mittels eines Ausschnitts oder Entlastungsbereichs in dem distalen Ende des Zahns.
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US 4 651 588 A offenbart Mittel zum Reduzieren des Lärms und der Vibration von Zahnradsätzen durch (a) Minimieren des Übertragungsfehlers, der sich aus Schwankungen der Eingriffssteifigkeit in verschiedenen Phasen des Zahneingriffs ergibt, und (b) Reduzieren der maximalen Rate, mit der Last auf den Abtrieb übertragen wird Ausrüstung.
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DE 10 2017 122 896 A1 betrifft ein Schneckenrad für ein Schneckenradgetriebe einer Kraftfahrzeuglenkung und eine Vielzahl an Zähnen mit Zahnoberflächen, wobei die Zähne radial nach außen weisen, wobei umfassend der Trägerkörper aus einem Verstärkungsfasern enthaltenden Kunststoff gebildet ist und eine breite von Rippen mit Rippenoberflächen aufweist, die von einem wesentlichen umlaufenden ringförmigen Steg des Schneckenrades radial nach außen weisen, und wobei die Zähne im Spritzgussverfahren auf die Rippen des Trägerkörpers aufgebracht sind, und wobei die Verstärkungsfasern ausgerichtet sind,
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BESCHREIBUNG
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Aufgabe der Erfindung ist oben genannte Nachteile zu beseitigen. Diese Aufgabe wird gelöst gemäß der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Hierin ist eine Getriebebaugruppe mit einem ersten Zahnrad mit einer ersten Nabe, die von einer ersten Vielzahl von Zähnen umgeben ist, beschrieben. Die erste Vielzahl von Zähnen definiert jeweils einen entsprechenden ersten Kontaktbereich. Die Zahnradanordnung umfasst ein zweites Zahnrad mit einer zweiten Nabe, die von einer zweiten Vielzahl von Zähnen umgeben ist. Die zweite Vielzahl von Zähnen ist so ausgelegt, dass sie mit der ersten Vielzahl von Zähnen in dem jeweiligen ersten Kontaktbereich kämmt, um eine jeweilige Last in einer ersten Richtung anzutreiben. Die erste Nabe und die erste Mehrzahl von Zähnen umfassen jeweilige Zonen, die einen j eweiligen Elastizitätsmodul definieren. Eine dreidimensionale Verteilung der j eweiligen physikalischen Größe und des jeweiligen Elastizitätsmoduls der jeweiligen Zonen ist so optimiert, dass eine Schwankung der Eingriffssteifigkeit entlang des jeweiligen ersten Kontaktbereichs bei oder unter einem ersten vordefinierten Schwellenwert liegt.
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Der jeweilige Elastizitätsmodul kann durch Variation einer Materialzusammensetzung der jeweiligen Zonen moduliert werden. In einigen Ausführungsformen bestehen die jeweiligen Zonen aus einem thermoplastischen und/oder einem duroplastischen Material. Erfindungsgemäß bestehen die jeweiligen Zonen aus jeweiligen Fasern, die in eine polymere Matrix eingebettet sind, wobei die jeweiligen Fasern in den jeweiligen Zonen in einer jeweiligen Ausrichtung orientiert sind. Der jeweilige Elastizitätsmodul der jeweiligen Zonen kann durch Variation der j eweiligen Ausrichtung über die j eweiligen Zonen moduliert werden. Die jeweiligen Fasern können mindestens eines von Glasperlen, Marmorkugeln, Glasfasern und Kohlenstofffasern umfassen.
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In einer Ausführungsform umfassen die jeweiligen Zonen eine erste Zone, in der die jeweiligen Fasern in einer ersten Ausrichtung angeordnet sind, und eine zweite Zone, in der die jeweiligen Fasern in einer zweiten Ausrichtung angeordnet sind. Die zweite Ausrichtung steht in einem Winkel relativ zur ersten Ausrichtung, wobei der Winkel zwischen 45 und 90 Grad liegt. In einem Beispiel beträgt der Winkel zwischen der ersten Ausrichtung und der zweiten Ausrichtung 90 Grad.
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Die erste Vielzahl von Zähnen kann eine oder mehrere Energiedissipationszonen („eine oder mehrere“ wird im Folgenden weggelassen) an jeweiligen Stellen entlang des jeweiligen ersten Kontaktbereichs enthalten, wobei der jeweilige erste Kontaktbereich ein Basistemperaturprofil definiert. Die Energiedissipationszonen sind so angeordnet, dass sie das Grundtemperaturprofil im Wesentlichen abflachen. Die Energiedissipationszonen umfassen metallische Beschichtungen, die über dem jeweiligen ersten Kontaktbereich angebracht sind.
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In einigen Ausführungsformen weist die erste Vielzahl von Zähnen jeweils eine asymmetrische Konfiguration auf. In anderen Ausführungsformen weist die erste Vielzahl von Zähnen jeweils eine symmetrische Konfiguration auf.
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Die erste Vielzahl von Zähnen definiert jeweils einen jeweiligen zweiten Kontaktbereich, der dem jeweiligen ersten Kontaktbereich gegenüberliegt. Die zweite Vielzahl von Zähnen ist so angepasst, dass sie in den jeweiligen zweiten Kontaktbereich eingreift, um die jeweilige Last in eine zweite Richtung zu treiben, wobei die zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung ist. Die dreidimensionale Verteilung der jeweiligen physikalischen Größe und des jeweiligen Elastizitätsmoduls der jeweiligen Zonen ist so eingestellt, dass die Schwankung der Eingriffssteifigkeit entlang des jeweiligen zweiten Kontaktbereichs bei oder unter einem zweiten vordefinierten Schwellenwert liegt.
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Die hierin beschriebene Getriebebaugruppe umfasst ein erstes Zahnrad mit einer ersten Nabe, die von einer ersten Vielzahl von Zähnen umgeben ist, wobei die erste Vielzahl von Zähnen jeweils einen entsprechenden ersten Kontaktbereich und einen entsprechenden zweiten Kontaktbereich definiert. Ein zweites Zahnrad mit einer zweiten Nabe ist von einer zweiten Vielzahl von Zähnen umgeben. Die zweite Vielzahl von Zähnen ist so ausgelegt, dass sie mit der ersten Vielzahl von Zähnen in dem jeweiligen ersten Kontaktbereich kämmt, um eine jeweilige Last in einer ersten Richtung anzutreiben, und in dem jeweiligen zweiten Kontaktbereich, um die jeweilige Last in einer zweiten Richtung anzutreiben.
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Die erste Nabe und die erste Vielzahl von Zähnen umfassen jeweilige Zonen, die eine jeweilige physikalische Größe und einen jeweiligen Elastizitätsmodul definieren. Das erste Zahnrad ist gekennzeichnet durch eine optimierte dreidimensionale Verteilung der jeweiligen physikalischen Größe und des jeweiligen Elastizitätsmoduls der jeweiligen Zonen, so dass eine Schwankung einer Eingriffssteifigkeit entlang des jeweiligen ersten Kontaktbereichs bei oder unter einem ersten vordefinierten Schwellenwert liegt und die Schwankung der Eingriffssteifigkeit entlang des jeweiligen zweiten Kontaktbereichs bei oder unter einem zweiten vordefinierten Schwellenwert liegt.
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Hierin wird eine Vorrichtung mit einer Eingangswelle, die geeignet ist, Energie von einer Energiequelle zu empfangen, und einer Getriebebaugruppe, die betriebsmäßig mit der Eingangswelle verbunden ist, beschrieben. Die Zahnradanordnung umfasst ein erstes Zahnrad mit einer ersten Nabe, die von einer ersten Vielzahl von Zähnen umgeben ist, wobei die erste Vielzahl von Zähnen jeweils einen entsprechenden ersten Kontaktbereich definiert. Eine Ausgangswelle ist funktionsfähig mit der Getriebebaugruppe verbunden. Die Getriebebaugruppe umfasst ein zweites Zahnrad mit einer zweiten Nabe, die von einer zweiten Vielzahl von Zähnen umgeben ist, wobei die zweite Vielzahl von Zähnen so angepasst ist, dass sie mit der ersten Vielzahl von Zähnen im j eweiligen ersten Kontaktbereich kämmt, um eine Last in einer ersten Richtung anzutreiben.
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Die erste Nabe und die erste Vielzahl von Zähnen der Vorrichtung umfassen jeweilige Zonen, die eine jeweilige physikalische Größe und einen jeweiligen Elastizitätsmodul definieren. Eine dreidimensionale Verteilung der jeweiligen physikalischen Größe und des jeweiligen Elastizitätsmoduls der jeweiligen Zonen ist so optimiert, dass eine Schwankung der Eingriffssteifigkeit entlang des jeweiligen ersten Kontaktbereichs bei oder unter einem ersten vordefinierten Schwellenwert liegt. Die Getriebebaugruppe ermöglicht eine variable Zahneingriffsnachgiebigkeit in Abhängigkeit von der Lastposition durch Optimierung des effektiven Materialelastizitätsmoduls. In einigen Ausführungsformen wird dies durch eine unterschiedliche Ausrichtung der faserverstärkten Verbundwerkstoffe erreicht.
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Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Modi zur Ausführung der Offenbarung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Fragmentansicht einer Getriebebaugruppe mit einem ersten Zahnrad und einem zweiten Zahnrad;
- 2 ist eine schematische Endansicht eines Getriebeteils des ersten Getriebes von 1, gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 3 ist eine Beispielgrafik, die die Maschensteifigkeit (auf der vertikalen Achse) über den Maschenzyklus (auf der horizontalen Achse) darstellt;
- 4 ist eine schematische Endansicht eines Getriebeteils des ersten Getriebes von 1, gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 5 ist eine schematische Endansicht eines Getriebeabschnitts des ersten Getriebes von 1 gemäß einer dritten Ausführungsform; und
- 6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Formen des ersten Zahnrads und/oder des zweiten Zahnrads von 1.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Referenznummern auf gleiche Komponenten beziehen, zeigt 1 schematisch eine Getriebebaugruppe 10, die Teil einer Vorrichtung 12 sein kann. Bei der Vorrichtung 12 kann es sich um eine mobile Plattform handeln, wie z. B. ein Personenfahrzeug, ein Sport Utility Vehicle, ein Leicht-LKW, ein Schwerlastfahrzeug, ein ATV, ein Minivan, ein Bus, ein Transitfahrzeug, ein Fahrrad, ein sich bewegender Roboter, ein landwirtschaftliches Gerät (z. B. ein Traktor), ein Sportgerät (z. B. ein Golfwagen), ein Boot, ein Flugzeug und ein Zug, aber nicht nur. Es versteht sich, dass das Gerät 12 viele verschiedene Formen annehmen kann.
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Bezug nehmend auf 1 umfasst die Getriebebaugruppe 10 ein erstes Zahnrad 14 und ein zweites Zahnrad 16. Die Getriebebaugruppe 10 kann über eine Eingangswelle 20 mit einer Energiequelle 18 betriebsbereit verbunden sein. Bei der Energiequelle 18 kann es sich um eine Batterie, einen Motor/Generator und/oder eine Maschine des Geräts 12 handeln. Die Getriebebaugruppe 10 kann dazu verwendet werden, Leistung von der Energiequelle 18 zu übertragen, um eine Last 22 über eine Ausgangswelle 24 anzutreiben. Das erste Zahnrad 14 kann ein treibendes Zahnrad sein und das zweite Zahnrad 16 kann das angetriebene Zahnrad sein und vice versa.
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Bezugnehmend auf 1 enthält das erste Zahnrad 14 eine erste Nabe 26, die von einer ersten Vielzahl von Zähnen 30 umgeben ist. Das zweite Zahnrad 16 umfasst eine zweite Nabe 32, die von einer zweiten Vielzahl von Zähnen 34 umgeben ist. Die erste Mehrzahl von Zähnen 30 des ersten Zahnrads 14 definiert einen jeweiligen ersten Kontaktbereich 36, der dazu geeignet ist, mit einem gegenüberliegenden ersten Kontaktbereich 40, der durch die zweite Mehrzahl von Zähnen 34 des zweiten Zahnrads 16 definiert ist, in Eingriff zu kommen, um die Last 22 in einer ersten Richtung 42 anzutreiben. Unter Bezugnahme auf 1 können die erste Mehrzahl von Zähnen 30 und die zweite Mehrzahl von Zähnen 34 so angepasst sein, dass sie an dem jeweiligen zweiten Kontaktbereich 38 (siehe 2) kämmen, um die Last 22 in einer zweiten Richtung 44 anzutreiben, wobei die zweite Richtung 44 entgegengesetzt zu der ersten Richtung 42 ist.
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Während das Beispiel in 1 ein Stirnradgetriebe zeigt, können das erste Zahnrad 14 und das zweite Zahnrad 16 auch andere Arten und Formen von Zahnrädern aufweisen. Beispielsweise können das erste Zahnrad 14 und das zweite Zahnrad 16 Schrägzahnräder, Querzahnräder, gerade Kegelräder oder Spiralkegelräder sein. Darüber hinaus kann die Getriebebaugruppe 10 weitere Komponenten und zusätzliche Zahnräder enthalten, die nicht dargestellt sind.
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In 2 ist eine Endansicht eines Teils des ersten Zahnrads 14 aus 1 zu sehen, der hier als Zahnradteil 50 bezeichnet wird. Es ist davon auszugehen, dass der Zahnradabschnitt 50 einen Teil des ersten Zahnrads 14 oder des zweiten Zahnrads 16 oder beider darstellt. Der Zahnradabschnitt 50 umfasst entsprechende Zonen 52, die jeweils einen entsprechenden Elastizitätsmodul definieren. In dem dargestellten Beispiel umfassen die jeweiligen Zonen 52 eine erste Zone 54, eine zweite Zone 56 und eine dritte Zone 58. Der Elastizitätsmodul, manchmal auch als Elastizitätsmodul bezeichnet, ist eine Bewertung des Widerstands des Materials, sich elastisch zu verformen, wenn eine Spannung auf es ausgeübt wird. Der Elastizitätsmodul eines Objekts kann als die Steigung seiner Spannung-Dehnung im Bereich der elastischen Verformung verstanden werden. Ein steiferes Material hat einen höheren Elastizitätsmodul.
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Das erste Zahnrad 14 und das zweite Zahnrad 16 befinden sich im Eingriff, wenn die jeweiligen Zähne der beiden Zahnräder so weit in Kontakt sind, dass das erste Zahnrad 14 und das zweite Zahnrad 16 gemeinsam arbeiten oder sich drehen. Es sind ein oder mehrere Zahnpaare gleichzeitig in Kontakt, wobei das Kontaktverhältnis die durchschnittliche Anzahl der gleichzeitig kämmenden Zähne darstellt. Die Anzahl der gleichzeitig in Kontakt stehenden Zahnpaare kann zwischen einem Paar und zwei Paaren, zwei Paaren und drei Paaren usw. schwanken. Während sich das erste Zahnrad 14 und das zweite Zahnrad 16 gemeinsam drehen, variiert die Kontaktkraft in Abhängigkeit von der Eingriffszyklusposition. Bezug nehmend auf 2 ändert sich die Kontaktkraft, wenn der Eingriff vom Startpunkt 62 zum Endpunkt 64 eines jeweiligen ersten Kontaktbereichs 36 fortschreitet, von einer ersten Kontaktkraft 66 (wo ein Zahnpaar in Kontakt ist) zu einer zweiten Kontaktkraft 68 (wo zwei Zahnpaare in Kontakt sind). Dies führt zu einer periodischen Veränderung der Eingriffssteifigkeit und zu einer dynamischen Erhöhung der Belastung.
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3 ist eine Beispielgrafik, die die Steifigkeit S entlang des jeweiligen ersten Kontaktbereichs 36 des Zahnradabschnitts 50 von 2 darstellt. Die Steifigkeit S ist auf der vertikalen Achse und der Eingriffszyklus X ist auf der horizontalen Achse dargestellt. Die Kurve 102 spiegelt die Steifigkeit S des ersten Teils des Eingriffszyklus wider, vom Startpunkt 62 (siehe 2), entsprechend X=0. Die Kurve 104 spiegelt die Steifigkeit S des zweiten Teils des Eingriffszyklus wider, zum Endpunkt 64 (siehe 2), entsprechend X=1. Die Eingriffssteifigkeit kann sich aus Blind-, Zahn- und Hertz'schen Kontaktsteifigkeiten zusammensetzen. Die Hertzsche Kontaktspannung bezieht sich auf die lokalisierten Spannungen, die entstehen, wenn zwei gekrümmte Oberflächen in Kontakt kommen und sich unter den auferlegten Lasten leicht verformen. Sie liefert die Kontaktspannung als Funktion der normalen Kontaktkraft, der Krümmungsradien beider Körper und des Elastizitätsmoduls beider Körper.
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Das erste Zahnrad 14 ist so konstruiert, dass eine dreidimensionale Verteilung der jeweiligen physikalischen Größe und des jeweiligen Elastizitätsmoduls der jeweiligen Zonen 52 so optimiert ist, dass eine Schwankung ΔS (in 3) der Eingriffssteifigkeit 106 entlang des jeweiligen ersten Kontaktbereichs 36 auf oder unter einem ersten vordefinierten Schwellenwert liegt. Mit anderen Worten: Das erste Zahnrad 14 ist mit einem Material (über die gesamte erste Vielzahl von Zähnen 30 und die erste Nabe 26) aufgebaut, das unterschiedlich reagiert, wenn sich die Last 22 vom Startpunkt 62 (siehe 2) zum Endpunkt 64 des jeweiligen ersten Kontaktbereichs 36 bewegt, wodurch die Eingriffssteifigkeit 106 abgeflacht wird. Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Getriebegeräusche reduziert und die Leistungsdichte erhöht werden. Das zweite Zahnrad 16 kann ähnlich aufgebaut sein. Die Schwankung ΔS kann relativ zu einem vorgegebenen Bezugspunkt definiert sein. Unter Bezugnahme auf 3 kann der Referenzpunkt ein Mittelwert 108, eine maximale Steifigkeit 110, eine minimale Steifigkeit 112 oder ein anderer vorbestimmter Referenzpunkt sein. Ein Verfahren 300 zum Formen des ersten Zahnrads 14 und/oder des zweiten Zahnrads 16 wird im Folgenden mit Bezug auf 6 gezeigt und beschrieben.
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In einigen Ausführungsformen wird der jeweilige Elastizitätsmodul in den jeweiligen Zonen 52 durch Änderung der Materialzusammensetzung der jeweiligen Zonen 52 variiert. Zum Beispiel kann die erste Zone 54 von 2 aus einem ersten Thermoplast bestehen, die zweite Zone 56 kann aus einem zweiten Thermoplast bestehen und die dritte Zone 58 kann aus einem zweiten Thermoplast bestehen. Bezugnehmend auf 2 würde die dreidimensionale Verteilung die jeweiligen Größen des ersten Abstands D1, des zweiten Abstands D2, des dritten Abstands D3, des vierten Abstands D4, des fünften Abstands D5 und andere Abmessungen, die die jeweiligen Zonen 52 definieren, beinhalten. Diese Abstände würden von der Größe der Kontaktlast und des angelegten Drehmoments abhängen. Zusätzlich würde die dreidimensionale Verteilung die jeweiligen Positionen und Formen der ersten Grenze 70 (die die erste Zone 54 und die zweite Zone 56 trennt) und der zweiten Grenze 72 (die die zweite Zone 56 und die dritte Zone 58 trennt) beinhalten.
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In 4 ist ein Zahnradteil 150 gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Der Zahnradabschnitt 150 von 4 umfasst jeweilige Zonen 152, wie z. B. eine erste Zone 154, eine zweite Zone 156, eine dritte Zone 158 und eine vierte Zone 160. Die jeweiligen Zonen 152 bestehen aus einer Polymermatrix mit jeweiligen Füllstoffen F, die hier als jeweilige Fasern F bezeichnet werden, die in einer bestimmten Ausrichtung orientiert sind. Die jeweiligen Fasern F können Marmorkugeln, Glaskugeln, Glasfasern und Kohlenstofffasern umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Ausrichtung der jeweiligen Fasern F wird über die jeweiligen Zonen 152 so verändert, dass die Eingriffssteifigkeit 106 von 4 im Wesentlichen konstant ist. Mit anderen Worten, das erste Zahnrad 14 kann aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff hergestellt werden, und die Variation des Elastizitätsmoduls über die jeweiligen Zonen 152 kann durch Modulation der Ausrichtung der jeweiligen Fasern F in den jeweiligen Zonen 152 erreicht werden.
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In dem in 4 dargestellten Beispiel weist die erste Zone 54 entsprechende Fasern F1 auf, die in einer ersten Ausrichtung angeordnet sind, die parallel zur Mittelachse A verläuft. Die zweite Zone 56 weist entsprechende Fasern F2 auf, die in einer zweiten Ausrichtung angeordnet sind, die relativ zur ersten Ausrichtung abgewinkelt ist. Der Winkel θ (siehe 4) zwischen benachbarten Ausrichtungen, z. B. zwischen der ersten Zone 54 und der zweiten Zone 56, kann variiert werden, um die optimale Netzsteifigkeit zu erhalten. Der Winkel θ kann zwischen 45 und 90 Grad liegen. In einer Ausführungsform beträgt der Winkel θ 90 Grad.
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Das Zahnradteil 150 von 4 weist eine asymmetrische Konfiguration relativ zu einer zentralen Achse A auf. Dies kann für eine Anwendung mit unidirektionaler Rotation geeignet sein, d. h. das erste Zahnrad 14 (und/oder das zweite Zahnrad 16) werden in eine Richtung gedreht, aber nicht in die andere. Alternativ kann die Optimierung auch so gewichtet werden, dass eine asymmetrische Konfiguration entsteht. Zum Beispiel kann der jeweilige Elastizitätsmodul der jeweiligen Zonen 52 mit einer 80-20-Aufteilung optimiert werden, die eine Vorwärtslastrichtung (z. B. der jeweilige erste Kontaktbereich 236) gegenüber einer Rückwärtslastrichtung (der jeweilige zweite Kontaktbereich 238) begünstigt.
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In einigen Ausführungsformen ist das erste Zahnrad 14 durch eine optimierte dreidimensionale Verteilung der jeweiligen physikalischen Größe und des jeweiligen Elastizitätsmoduls der jeweiligen Zonen 152 gekennzeichnet, so dass: (1) die Schwankung ΔS der Eingriffssteifigkeit 106 entlang des jeweiligen ersten Kontaktbereichs 136 bei oder unter einem ersten vordefinierten Schwellenwert liegt; und (2) die Schwankung ΔS der Eingriffssteifigkeit 106 entlang des jeweiligen zweiten Kontaktbereichs 138 bei oder unter einem zweiten vordefinierten Schwellenwert liegt. Der zweite vordefinierte Schwellenwert kann sich von dem ersten vordefinierten Schwellenwert unterscheiden. In einem Beispiel beträgt der erste vordefinierte Schwellenwert ± 1 % eines Durchschnittswertes 108 der Eingriffssteifigkeit 106 und der zweite vordefinierte Schwellenwert + 5 % des Durchschnittswertes 108.
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Bezug nehmend auf 4 kann der Getriebeabschnitt 150 eine oder mehrere Energiedissipationszonen 172 enthalten, wie z. B. eine erste Energiedissipationszone 174 und eine zweite Energiedissipationszone 176. Die Energiedissipationszonen 172 werden durch Aufbringen metallischer Beschichtungen an verschiedenen Positionen im ersten Kontaktbereich 136 erzeugt. Die Energiedissipationszonen 172 können auch durch das Aufbringen von Beschichtungen aus anderen wärme-/thermisch leitenden Materialien erzeugt werden. Die Energiedissipationszonen 172 ermöglichen ein gewünschtes lokales Kontaktverhalten und verbessern gleichzeitig die Energieableitung der durch das Gleiten oder den Kontakt entstehenden Wärme. Die Lage und Dicke der Beschichtung ist angepasst, um die lokale Stärke eines Basistemperaturprofils 182 einzustellen und die im ersten Kontaktbereich 136 erzeugte Wärme abzuschwächen.
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Unter Bezugnahme auf 4 kann das Basistemperaturprofil 182 (siehe 4) zwischen dem Startpunkt 162 und dem Endpunkt 164 des ersten Kontaktbereichs 136 durch numerische Simulation ermittelt werden (siehe Block 308 von 6, der unten beschrieben wird). Wie in 4 gezeigt, ist das Nachbeschichtungstemperaturprofil 184 im ersten Kontaktbereich 136 im Wesentlichen flach oder gleichmäßig. In einem Beispiel liegt die Dicke der Energiedissipationszonen 172 zwischen 50 und 200 Mikrometern. Die Zugfestigkeit des Beschichtungsmaterials kann zur Auswahl der Dicke der Beschichtung herangezogen werden.
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Die Energiedissipationszonen 172 können durch Lücken getrennt sein. Der Abstand kann z. B. zwischen 1 und 10 mm betragen.
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In 5 ist ein Zahnradteil 250 gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt. Im Gegensatz zu 4 weist der Getriebeabschnitt 250 von 5 eine symmetrische Konfiguration relativ zur Mittelachse A auf. Ähnlich wie in 4 umfasst der Getriebeabschnitt 250 von 5 entsprechende Zonen 252, wie eine erste Zone 254, eine zweite Zone 256 und eine dritte Zone 258, die aus einer Polymermatrix mit entsprechenden Fasern F1, F2 und F3 in einer bestimmten Ausrichtung bestehen. Die Ausrichtung der jeweiligen Fasern F1, F2 und F3 über die jeweiligen Zonen 252 kann so moduliert werden, dass die Schwankung ΔS der Eingriffssteifigkeit 106 (siehe 3) auf beiden Seiten des Zahnradabschnitts 250 (in dem jeweiligen ersten Kontaktbereich 236 und dem jeweiligen zweiten Kontaktbereich 238) bei oder unter einem ersten vordefinierten Schwellenwert liegt.
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Ähnlich wie bei der in 4 gezeigten Ausführungsform kann der Zahnradabschnitt 250 von 5 eine oder mehrere Energiedissipationszonen am jeweiligen ersten Kontaktbereich 236 enthalten, wie beispielsweise eine erste Energiedissipationszone 274 und eine zweite Energiedissipationszone 276. Zusätzlich kann der Getriebeabschnitt 250 eine oder mehrere Energiedissipationszonen am jeweiligen zweiten Kontaktbereich 238 aufweisen, wie z. B. eine dritte Energiedissipationszone 278 und eine vierte Energiedissipationszone 280. Die jeweiligen Orte der verschiedenen Energiedissipationszonen können so gewählt werden, dass sie mit „heißen“ Zonen (d. h. oberhalb einer bestimmten Temperatur) in einem Basistemperaturprofil 182 (siehe 4) zusammenfallen, wodurch sie abflachen und zu einem Nachbeschichtungstemperaturprofil 184 führen.
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Unter Bezugnahme auf 6 wird nun ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zur Bildung des ersten Zahnrads 14 und/oder des zweiten Zahnrads 16 gezeigt. Das Verfahren 300 kann auf einem Controller C, der in 1 dargestellt ist, gespeichert und zumindest teilweise von diesem ausgeführt werden. Die Steuerung C verfügt über mindestens einen Prozessor P und mindestens einen Speicher M (oder ein nicht-transitorisches, greifbares, computerlesbares Speichermedium), auf dem Anweisungen zur Ausführung des Verfahrens 300 aufgezeichnet sind. Der Speicher M kann ausführbare Befehlssätze speichern, und der Prozessor P kann die im Speicher M gespeicherten Befehlssätze ausführen.
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Das Verfahren 300 muss nicht in der hier angegebenen Reihenfolge angewendet werden und kann dynamisch ausgeführt werden. Außerdem können einige Schritte entfallen. Wie hier verwendet, beschreiben die Begriffe „dynamisch“ und „dynamisch“ Schritte oder Prozesse, die in Echtzeit ausgeführt werden und dadurch gekennzeichnet sind, dass sie Zustände von Parametern überwachen oder anderweitig bestimmen und die Zustände der Parameter während der Ausführung einer Routine oder zwischen Iterationen der Ausführung der Routine regelmäßig oder periodisch aktualisieren.
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Gemäß Block 302 von 6 ist der Controller C so konfiguriert, dass er eine Steifigkeit S in einem Netzzyklus X entlang des jeweiligen ersten Kontaktbereichs 36 und/oder des jeweiligen zweiten Kontaktbereichs 38 simuliert. In einigen Ausführungsformen wird die Simulation durch Finite-Elemente-Analyse durchgeführt. Unter Bezugnahme auf 3 kann die Lage des Knickpunkts 114 zwischen der Leiterbahn 102 und der Leiterbahn 104 durch numerische Simulation ermittelt werden. Die Steuerung C kann statistische Regressionsanalyse, Hauptkomponentenanalyse und andere numerische Simulationstechniken verwenden, die dem Fachmann zur Verfügung stehen. Alternativ kann die Steifigkeit S empirisch auf der Basis des Übertragungsfehlers über die Winkelposition bei einem konstanten Drehmoment und einer ausreichend langsamen Drehzahl ermittelt werden, so dass dynamische Effekte vernachlässigt werden können.
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In Block 304 von 6 ist der Controller C so konfiguriert, dass er eine vordefinierte Anzahl der jeweiligen Zonen 52 auswählt. Beispielsweise kann die Steuerung C so konfiguriert sein, dass sie jeden Getriebeabschnitt 50 (siehe 2) so auswählt, dass er in drei oder vier der jeweiligen Zonen 52 (insgesamt) unterteilt wird. Gemäß Block 304 von 6 ist die Steuerung C so konfiguriert, dass sie eine dreidimensionale Verteilung der jeweiligen physikalischen Größen und der jeweiligen Elastizitätsmodulwerte für die jeweiligen Zonen 52 bestimmt. Wie bereits erwähnt, wird die dreidimensionale Verteilung so optimiert, dass die Schwankung ΔS der Eingriffssteifigkeit 106 (siehe 3) am jeweiligen ersten Kontaktbereich 36 (und/oder dem jeweiligen zweiten Kontaktbereich 38) bei oder unter einem ersten vordefinierten Schwellenwert liegt.
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In einigen Ausführungsformen kann der Regler C ein maschinelles Lernmodell 46 verwenden, das in den Regler C eingebettet oder anderweitig für den Regler C zugänglich ist. Das maschinelle Lernmodell 46 kann so konfiguriert sein, dass es Parameter, Gewichte oder eine Struktur findet, die eine Kostenfunktion minimiert, wobei die Kostenfunktion die Schwankung ΔS in der Netzsteifigkeit 106 charakterisiert. Das maschinelle Lernmodell 46 kann beispielsweise ein vorwärtsgerichtetes künstliches neuronales Netz mit mehreren Schichten sein, die aus entsprechenden Knoten bestehen. Die Parameter jedes einzelnen Knotens können unabhängig von den anderen sein, d. h. sie sind durch einen eindeutigen Satz von Gewichten gekennzeichnet. Der jeweilige Knoten in einer nachfolgenden Schicht berechnet eine Linearkombination der Ausgaben der vorherigen Schicht. Ein Netz mit drei Schichten würde z. B. eine Aktivierungsfunktion ƒ(x) = ƒ(3)(ƒ(2)(ƒ(1)(x))) bilden. Die vom maschinellen Lernmodell 46 erkannten Muster können in eine numerische Form übersetzt oder umgewandelt werden.
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Gemäß Block 306 von 6 kann das erste Zahnrad 14 und/oder das zweite Zahnrad 16 mit den in den Blöcken 304 und 308 erhaltenen Parametern durch Spritzgießen oder eine andere Technik, die dem Fachmann zur Verfügung steht, geformt werden. In einem Beispiel werden das erste Zahnrad 14 und/oder das zweite Zahnrad 16 durch Spritzgießen mit Duroplasten und/oder Thermoplasten geformt. Die Duroplaste können duroplastischen Polyester, Polyurethan und/oder Epoxid umfassen. Geeignete Thermoplaste können thermoplastisches Polyester, Polyurethan, Polyolefin, Polycarbonat und/oder Polyamid umfassen. Zusätzlich können Verfahren wie Schmieden, Extrudieren, Gießen und 3D-Druck eingesetzt werden. Parameter wie die Gesamtgröße des Zahnrads, die Zahnform, die Teilung, die Anzahl der Zähne und der Betrag der Profilverschiebung können je nach Anwendung variiert werden.
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In Block 308 von 6 ist der Controller C so konfiguriert, dass er ein Basistemperaturprofil 182 (siehe 4) für den jeweiligen ersten Kontaktbereich 36 und/oder den jeweiligen zweiten Kontaktbereich 38 durch numerische Simulation erhält. Das Basistemperaturprofil 182 wird verwendet, um die Lage und Größe verschiedener Energiedissipationszonen 172 entlang des ersten Kontaktbereichs 136 und/oder des zweiten Kontaktbereichs 138 abzubilden. Die Energiedissipationszonen 172 fallen mit „heißen“ Zonen des Basistemperaturprofils 182 zusammen, d.h. Zonen oberhalb einer bestimmten Temperaturschwelle. Wie bereits erwähnt, werden die Energiedissipationszonen 172 durch das Aufbringen von Beschichtungen aus Metall (z. B. Stahllegierungen) oder anderen wärme- bzw. wärmeleitenden Materialien mit einer ausreichend hohen Zugfestigkeit erzeugt. Die Energiedissipationszonen 172 ermöglichen das gewünschte lokale Kontaktverhalten und verbessern gleichzeitig die Energieableitung der erzeugten Wärme aus dem Gleiten oder Kontakt.
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Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Getriebebaugruppe 10 eine variable Nachgiebigkeit des Zahneingriffs in Abhängigkeit von der Lastposition ermöglicht, indem der effektive Elastizitätsmodul des Materials optimiert wird. In einigen Ausführungsformen wird dies durch unterschiedliche Orientierungen von faserverstärkten Verbundwerkstoffen erreicht.
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Die Steuerung C umfasst ein computerlesbares Medium (auch als prozessorlesbares Medium bezeichnet), einschließlich eines nicht flüchtigen (z. B. greifbaren) Mediums, das an der Bereitstellung von Daten (z. B. Anweisungen) beteiligt ist, die von einem Computer (z. B. von einem Prozessor eines Computers) gelesen werden können. Ein solches Medium kann viele Formen annehmen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf nichtflüchtige Medien und flüchtige Medien. Nichtflüchtige Medien können z. B. optische oder magnetische Festplatten und andere dauerhafte Speicher sein. Flüchtige Medien können z. B. einen dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) umfassen, der einen Hauptspeicher darstellen kann. Solche Anweisungen können durch ein oder mehrere Übertragungsmedien übertragen werden, einschließlich Koaxialkabel, Kupferdraht und Glasfaser, einschließlich der Drähte, die einen Systembus umfassen, der mit einem Prozessor eines Computers verbunden ist. Einige Formen von computerlesbaren Medien umfassen z. B. eine Diskette, eine flexible Platte, eine Festplatte, ein Magnetband, andere magnetische Medien, eine CD-ROM, eine DVD, andere optische und physikalische Medien mit Lochmustern, ein RAM, ein PROM, ein EPROM, ein FLASH-EEPROM, andere Speicherchips oder -kassetten oder andere Medien, von denen ein Computer lesen kann.
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Nachschlagetabellen, Datenbanken, Datenspeicher oder andere hierin beschriebene Datenspeicher können verschiedene Arten von Mechanismen zum Speichern, Zugreifen und Abrufen verschiedener Arten von Daten umfassen, einschließlich einer hierarchischen Datenbank, einer Reihe von Dateien in einem Dateiaufladesystem, einer Anwendungsdatenbank in einem proprietären Format, einem relationalen Datenbank-Energieverwaltungssystem (RDBMS) usw. Jeder dieser Datenspeicher kann in einem Computergerät enthalten sein, das ein Computerbetriebssystem wie eines der oben genannten verwendet, und auf das über ein Netzwerk auf eine oder mehrere von vielen Arten zugegriffen werden kann. Ein Dateisystem kann von einem Computer, der ein wiederaufladbares Energiespeichersystem betreibt, zugänglich sein und kann Dateien enthalten, die in verschiedenen Formaten gespeichert sind. Ein RDBMS kann die Structured Query Language (SQL) zusätzlich zu einer Sprache zum Erstellen, Speichern, Bearbeiten und Ausführen von gespeicherten Prozeduren verwenden, wie z. B. die oben erwähnte PL/SQL-Sprache.
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Das Flussdiagramm in 6 veranschaulicht eine Architektur, Funktionalität und den Betrieb möglicher Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung. In dieser Hinsicht kann jeder Block in dem Flussdiagramm oder den Blockdiagrammen ein Modul, ein Segment oder einen Teil des Codes darstellen, der eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Implementierung der angegebenen logischen Funktion(en) umfasst. Es wird auch darauf hingewiesen, dass jeder Block der Blockdiagramme und/oder Flussdiagrammdarstellungen und Kombinationen von Blöcken in den Blockdiagrammen und/oder Flussdiagrammdarstellungen durch spezielle, auf Hardware basierende wiederaufladbare Energiespeichersysteme, die die spezifizierten Funktionen oder Handlungen ausführen, oder Kombinationen von spezieller Hardware und Computeranweisungen implementiert werden können. Diese Computerprogrammanweisungen können auch in einem computerlesbaren Medium gespeichert sein, das eine Steuerung oder ein anderes programmierbares Datenverarbeitungsgerät anweisen kann, in einer bestimmten Weise zu funktionieren, so dass die in dem computerlesbaren Medium gespeicherten Anweisungen einen Herstellungsartikel erzeugen, der Anweisungen zur Implementierung der in den Flussdiagramm- und/oder Blockdiagramm-Blöcken angegebenen Funktion/Aktion enthält.
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Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder FIGS. sind unterstützend und beschreibend für die Offenbarung, aber der Umfang der Offenbarung wird ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen zur Ausführung der beanspruchten Offenbarung im Detail beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Ausführungen und Ausführungsformen zum Ausführen der in den beigefügten Ansprüchen definierten Offenbarung. Darüber hinaus sind die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen oder die in der vorliegenden Beschreibung erwähnten Merkmale verschiedener Ausführungsformen nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen zu verstehen. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale mit einem oder mehreren anderen gewünschten Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden kann, was zu anderen Ausführungsformen führt, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben sind. Dementsprechend fallen solche anderen Ausführungsformen in den Rahmen des Anwendungsbereichs der beigefügten Ansprüche.
