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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stirnverzahnung, eine Verwendung einer solchen Stirnverzahnung in einer Radlageranordnung, ein Werkzeug zur Herstellung einer Stirnverzahnung sowie eine Verwendung eines solchen Werkzeugs zur Herstellung einer Stirnverzahnung an einer Radlagernabe.
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Stand der Technik
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Der Einsatz von Stirnverzahnungen als eine axial wirksame Kopplung von rotierenden Elementen, wie bspw. Wellen, ist bekannt. Insbesondere sind Stirnverzahnungen bekannt, die einen in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse verlaufenden Zahnkranz an einer Radlageranordnung für eine antreibbare Radnabe ausbilden, wobei die Stirnverzahnung für einen spielfreien Eingriff in eine der Stirnverzahnung zugewandte Gegenverzahnung vorgesehen ist.
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Stirnverzahnungen können unter anderem spanend oder durch einen Umformprozess hergestellt werden. Die Montage von Stirnverzahnungen, insbesondere das Ineinandergreifen zweier Stirnverzahnungen kann durch die bekannten Herstellungsverfahren fertigungsbedingt erschwert werden.
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Es hat sich nunmehr herausgestellt, dass ein weiterer Bedarf besteht, eine bekannte Stirnverzahnung zu verbessern, insbesondere besteht ein Bedarf eine Stirnverzahnung bereitzustellen, die die Herstellung verbessert und insbesondere eine verbesserte Ausformung der Zähne ermöglicht.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Stirnverzahnung bereitzustellen, die die Herstellung verbessert, und insbesondere eine verbesserte Ausformung der Zähne ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese und andere Aufgaben, die beim Lesen der folgenden Beschreibung noch genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße Stirnverzahnung, insbesondere für eine Radlageranordnung, insbesondere für angetriebene Räder, weist mehrere Zähne auf, die stirnseitig und in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind, und sich in radialer Richtung erstrecken. Insbesondere sind die Zähen dazu eingerichtet, axial, also in axialer Richtung, in Zähne einer Gegenverzahnung zu greifen. Jeder der Zähne weist zumindest Zahnflanken und einen Zahnkopf auf. Dabei weist ein Übergang von den Zahnflanken zu einer in radialer Richtung außen angeordneten Zahnprofilfläche Verrundungsradien bzw. Prägeradien auf.
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Unter dem Begriff Zahnprofilfläche ist eine Querschnittsfläche des Zahns zu verstehen, die bei einem in einer Umfangsrichtung verlaufenden Schnitt ausgebildet wird. Unter der in radialer Richtung außen angeordneten Zahnprofilfläche ist die in radialer Richtung außen, insbesondere entlang eines Außenumfangs der Stirnverzahnung, ausgebildete Außenfläche eines Zahns zu verstehen.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass durch die Verrundungsradien, die auch als Prägeradien bezeichnet werden können, ein scharfkantiger und/oder gratiger Übergang zwischen der radial außen angeordneten Zahnprofilfläche und den Zahnflanken reduziert, insbesondere vermieden, werden. Dadurch kann ein Verletzungsrisiko, insbesondere bei der Montage der Radlageranordnung, erheblich reduziert werden. Darüber hinaus kann so ein unerwünschtes Lösen von Partikeln, insbesondere vom gebildeten Grat, insbesondere während der Einsatzdauer, reduziert werden. Ferner kann durch bei einer solchen Stirnverzahnung die Herstellung verbessert werden. Insbesondere kann die Ausbildung eines Zahnkopf verbessert werden, indem bei der Herstellung ein Materialfluss in radialer Richtung nach außen begrenzt wird, und durch die Prägeradien derart geführt wird, dass eine Erhöhung des Zahnkopfes erreicht werden kann. Eine Erhöhung des Zahnkopfes ermöglicht einen „spitzeren“ Zahnkopf, also einen kleinen Zahnkopfradius. Je kleiner der Zahnkopfradius desto spitzer der Zahnkopf. Dadurch kann erreicht werden, dass bei der Montage eine unerwünschte Zahn-auf-Zahn-Stellung vermieden werden kann.
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Die Stirnverzahnung wird insbesondere für Radlageranordnungen mit angetriebenen Radlagern, bspw. für eine Kopplung eines Radlagers an eine Antriebswelle bzw. eine Gelenkglocke eingesetzt.
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Die axiale Richtung sowie die radiale Richtung sind in Bezug auf die Stirnfläche zu verstehen. Das bedeutet, dass sich die axiale Richtung entlang einer Mittel- oder Rotationsachse der Stirnfläche erstreckt und sich die radiale Richtung entlang eines Radius der im Wesentlichen kreissegmentartig, insbesondere ringartig, bzw. kreisringrunden, Stirnfläche erstreckt.
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Gemäß einer Ausführungsform gehen die Prägeradien und die Zahnprofilfläche tangential ineinander über und/oder gehen die Prägeradien und die Zahnflanken tangential ineinander über. Ein tangentialer Übergang unterstützt ein Reduzieren von scharfkantigen und/oder gratigen Kanten bzw. Übergängen und kann somit ein Verletzungsrisiko, insbesondere während der Montage reduzieren. Darüber hinaus kann der tangentiale Übergang bei der Herstellung der Stirnverzahnung den Materialfluss in Richtung zum Zahnkopf hin verbessern.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die in radialer Richtung außen angeordneten Zahnprofilflächen im Wesentlichen eine Neigung in axialer Richtung zwischen 0° und 25° auf. Damit kann eine verbesserte Zahnkopfausbildung erreicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die in radialer Richtung außen angeordneten Zahnprofilflächen jeweils einen Hauptprägeradius auf, der sich in radialer Richtung erstreckt. Der Hauptprägeradius kann den Materialfluss während der Herstellung in Richtung zur Zahnkopf hin verbessern.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Zahnkopf einen Zahnkopfradius auf, der zwischen etwa 0,5 mm und etwa 5 mm, insbesondere zwischen 0,7 mm und 3 mm, beträgt. Ein solcher Zahnkopfradius kann das Risiko für ein Auftreten der Zahn-auf-Zahn-Stellung bei der Montage reduzieren, und somit die Montage vereinfachen. Der Zahnkopfradius kann sich dabei ein einzelner Radius sein oder kann sich aus mehreren einzelnen Radien, die tangential ineinander übergehen, zusammensetzen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung zumindest einer erfindungsgemäßen Stirnverzahnung einer Radlageranordnung zur drehfesten Verbindung einer Radlagernabe mit einer Gelenkglocke. Stirnverzahnungen in Radlageranordnungen sind insbesondere hohen Belastungen ausgesetzt. Die vorstehend und nachfolgend beschriebene Stirnverzahnung ermöglicht zum einen ein verbessertes Eingreifen in eine entsprechende Gegenverzahnung und somit eine verbesserte Kraftübertragung, die eine höhere Belastung dieser Verbindung ermöglicht.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung einer Stirnverzahnung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Stirnverzahnung. Das Werkzeug weist eine Gegenverzahnung auf, die mehrere Zähne aufweist, die stirnseitig und in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind, und sich in radialer Richtung erstrecken. Zwei zueinander benachbart angeordnete Zähne sind jeweils durch eine Zahnlücke zueinander beabstandet angeordnet. Dabei weist ein Übergang von Zahnflanken der Zahnlücken zu einer in radialer Richtung außen angeordneten Zahnprofilfläche Prägeradien, und einen, insbesondere in radialer Richtung außen, umlaufenden Werkzeugrand auf, der die Gegenverzahnung umgibt.
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Bei der Herstellung der Stirnverzahnung reduziert bzw. begrenzt der umlaufende Werkzeugrand den Materialfluss nach radial außen. Dadurch wird ein Widerstand für das fließende Material in radialer Richtung erhöht. Da das Material immer in Richtung des geringsten Widerstandes fließt, weicht der Materialfluss in die Umfangs- und /oder Höhenrichtung (axiale Richtung) aus. Die Prägeradien erleichtern den Materialfluss in die Umfangs- und/oder Höhenrichtung zusätzlich. So kann Ausfüllgrad der Zahnform, welche durch die Zahnlücken des Werkzeugs gebildet wird, verbessert werden, insbesondere in die Richtung des Zahnkopfes, wodurch die Ausformung eines spitzeren Zahns erreicht werden kann. Dadurch kann bei der Montage das Risiko einer Zahn-auf-Zahn-Stellung verringert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich der Werkzeugrand zumindest bis auf eine Tiefe einer Zahnfußausprägung der Zahnlücken.
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Dadurch kann bei der Montage eine Kollision mit einer radial längeren Gegenverzahnung verhindert werden. Insbesondere bei Stirnverzahnungen an einer Radlagernabe geht der Werkzeugrand an der Verzahnung des Radlagers mindestens bis auf die Tiefe der Zahnfußausprägung.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zur Herstellung einer Stirnverzahnung, insbesondere eine vorstehend und nachfolgend beschriebene Stirnverzahnung, an einer Radlagernabe mittels Taumelnieten.
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Insbesondere beim Taumelnieten fließt das Material nach dem Gesetz des geringsten Widerstands, der in der Regel nach radial außen am geringsten ist und in die Höhenrichtung, also in axialer Richtung in die sich Richtung Zahnkopf verengende Zahnform höher ist. Durch den radial außen umlaufenden Werkzeugrand des vorstehend und nachfolgend beschriebenen Werkzeugs wird der Widerstand in radialer Richtung, insbesondere nach radial außen, derart erhöht, dass das Material in die Umlauf- und/oder Höhenrichtung der Verzahnung ausweicht. Die Prägeradien begünstigen einen solchen Materialfluss zusätzlich, da sie den Materialfluss in diese Richtung erleichtern.
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Mit anderen Worten kann man sagen, dass der radial außen umlaufende Werkzeugrand den Widerstand für den Materialfluss nach radial außen derart erhöht, dass das Material, welches nach dem Gesetz des geringsten Widerstandes fließt, in die Umlauf- und/oder Höhenrichtung der Verzahnung fließt, da dies nun den geringeren Widerstand darstellt. Die Prägeradien können den Materialfluss in die Umlauf- und/oder Höhenrichtung zusätzlich begünstigen, da die Verrundungen der Kanten durch die Prägeradien, den Materialfluss zusätzlich erleichtern.
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Figurenliste
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Stirnverzahnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Draufsicht;
- 2 einen vergrößert dargestellten Teilabschnitt der Stirnverzahnung aus 1;
- 3 eine schematische Darstellung einer Teilansicht einer Stirnverzahnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht; und
- 4 eine schematische Darstellung eines Werkzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur, nicht maßstabsgetreu und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Dieselben Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen eine beispielhafte schematische Darstellung einer Stirnverzahnung 1, wobei 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Stirnverzahnung 1 aus 1 zeigt. Die Stirnverzahnung 1 weist mehrere Zähne 2 auf, die in Umfangrichtung durch Zahnlücken 3 zueinander beabstandet auf einer Fläche, bspw. einer Stirnfläche einer Welle, angeordnet sind. Ein Zahnprofil 4 (siehe 3) entspricht dabei einer Querschnittsfläche in axialer Richtung, hier die Richtung einer Rotationsachse X, der Stirnfläche ausgebildet. Mit anderen Worten kann man sagen, dass die Querschnittsfläche einer Schnittfläche eines Schnitts in Umfangsrichtung entspricht. Eine Erstreckungsrichtung der Zähne 2 entspricht einer radialen Richtung R der Stirnfläche.
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Jeder der Zähne 2 weist Zahnflanken 5, einen Zahnkopf 6 und Zahnfüße 7 (siehe 3) auf. Die Zahnflanken 5 sind an Seitenflächen des Zahns 2 ausgebildet und gehen im Wesentlichen tangential in den Zahnkopf 6 und in die Zahnfüße 7 über. Der Zahnkopf 6 ist im Wesentlichen mittig angeordnet und bildet die „Spitze“ des Zahns 2 aus, die in axialer Richtung gesehen den höchsten Punkt des Zahns 2 umfasst.
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Die Stirnverzahnung 1 kann auch als Hirth-Verzahnung bezeichnet werden und ist eine axial wirksame Verzahnung, die als eine formschlüssige Kopplung von rotierenden Elementen, bspw. zur Kopplung von angetriebenen Radlagern an die Antriebswelle, zur Drehmomentübertragung eingesetzte werden kann. Hierzu greift die Stirnverzahnung 1 in axialer Richtung in eine entsprechend ausgebildete Gegenverzahnung (nicht dargestellt) ein. Bei einer solchen Verbindung liegen die Flanken 5 der Zähne 2 an den Flanken der Zähne der Gegenverzahnung statisch und flächig an.
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Die Zähne der Stirnverzahnung 1 weisen radial außen Prägeradien 8 auf, die einen Übergang zwischen einer radial außenliegenden Zahnprofilfläche 9 und den Zahnflanken 5 verrunden. Die Prägeradien 8 reduzieren bzw. verhindern scharfkantige und/oder gratige Übergänge, die ein potentielles Verletzungsrisiko bei der Montage darstellen. Zusätzlich kann dadurch verhindert werden, dass sich im Betrieb Partikel ablösen, die im Produktionsumfeld unerwünscht sind.
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Darüber hinaus ermöglichen die Prägeradien 8, die auch als Verrundungsradien bezeichnet werden können, dass das Verhältnis des Fließwiderstandes zwischen der axialen Richtung und der radialen Richtung derart verändert wird, dass der Fließwiderstand in die radiale Richtung so erhöht wird, dass der Fließwiderstand in der axialen Richtung gleich oder geringer ist als der Fließwiderstand in die radiale Richtung. Dadurch kann erreicht werden, dass das Material bei der Herstellung derart fließt, dass ein spitzerer Zahnkopf 6 ausgebildet werden kann. Je spitzer der Zahnkopf 6 desto geringer ist ein Risiko für eine Zahn-auf-Zahn-Stellung bei der Montage der Stirnverzahnung 1 mit einer entsprechenden Gegenverzahnung.
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In 3 ist zu erkennen, dass die Zahnprofilfläche 9 durch die Ausbildung eines spitzeren Zahnkopfs 6 höhere Zahnflanken 5 aufweist, die eine größere Kraftübertragung ermöglichen. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass die Zahnprofilfläche 9 gegenüber der axialen Richtung eine Neigung von etwa 5° bis 10° aufweisen. Alternativ kann die Zahnprofilfläche 9 auch eine Neigung von im Wesentlichen 0° und/oder bis zu 25° aufweisen. Darüber hinaus weist die Zahnprofilfläche 9 einen Hauptprägeradius 17 (siehe 4) auf, der sich in radialer Richtung erstreckt. Dadurch weist die Zahnprofilfläche 9 eine, insbesondere konvexe, Verrundung auf, die in der radialen Richtung vorsteht.
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4 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung eines Werkzeugs 10 in einer perspektivischen Darstellung. Das Werkzeug 10 dient zur Herstellung der Stirnverzahnung 1 mittels Taumelnieten. Es ist zu erkennen, dass das Werkzeug 10 ebenfalls mehrere Zähne 11 aufweist, die in Umfangsrichtung durch Zahnlücken 12 zueinander beabstandet auf einer Stirnfläche des Werkzeugs 10 angeordnet sind. Die Zähne 11 und die Zahnlücken 12 in ihrer Gesamtheit können auch als Verzahnung 13 des Werkzeugs 10 bezeichnet werden.
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Die Zahnlücken 12 des Werkzeugs 10 dienen als Form zur Ausbildung der Zähne 2 der Stirnverzahnung 1. Radial außenliegend weist das Werkzeug 10 einen Werkzeugrand 14 auf, der die Verzahnung 13 in Umfangsrichtung radial außenliegend umgibt. Der Werkzeugrand 14 weist in axialer Richtung eine Tiefe t auf, die sich bis zu einer Zahnfußausprägung erstreckt. Die Zahnfußausprägung beschreibt dabei eine Grenze in den Zahnlücken 12 des Werkzeugs 10, die zur Ausbildung der Zahnfüße 7 der Zähne 2 der Stirnverzahnung 1 dienen.
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Der Werkzeugrand 10 schließt das Werkzeug 10 in radialer Richtung entlang der Umfangsrichtung vollständig und begrenzt somit bei der Herstellung der Stirnverzahnung 1 einen Materialfluss in radialer Richtung. Der Werkzeugrand 14 stellt somit einen großen Widerstand für das während der Herstellung fließende Material dar. Da der Materialfluss dem Gesetz des geringsten Widerstandes folgt, fließt das Material, nachdem es radial außen in Kontakt mit dem Werkzeugrand 14 gekommen ist, in die Umfangsrichtung und/oder die Höhenrichtung der jeweiligen Zahnlücke 12, wodurch ein Zahn 2 der Stirnverzahnung 1 in jeder Zahnlücke 12 ausgebildet wird. In den Zahnlücken 12 ausgebildete Prägeradien 15 sind derart ausgebildet, dass bei der Herstellung die Prägeradien 8, die den Übergang zwischen der Zahnprofilfläche 9 und den Zahnflanken 5 bilden, ausgeformt werden.
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Die Prägeradien 15 weisen insbesondere einen solchen Radius auf, dass ein Widerstand für den Materialfluss bei der Herstellung reduziert ist, und das Material somit - nach dem Gesetz des geringsten Widerstandes - in Umfangsrichtung in die Prägeradien 12 des Werkzeugs 10 fließt. Dadurch kann sich, insbesondere durch eine entsprechend hohe Kraft, mit der das Werkzeug 10 während der Herstellung der Stirnverzahnung 1 auf das zu prägende Material gedrückt bzw. gewälzt wird, ein Materialfluss in Richtung eine Zahnkopfform 16 verbessert werden. Dadurch ist es möglich, die Zahnkopfausprägung bei der Herstellung zu verbessern.
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Das bedeutet, dass der Zahnkopf 6 der Stirnverzahnung 1, wie bereits vorstehend beschrieben, spitzer zuläuft, da das Material weiter in die Zahnkopfform 16 der Zahnlücke 12 des Werkzeugs 10 hineinfließt. Dadurch kann das Risiko der Zahn-auf-Zahn-Stellung bei der Montage der Stirnverzahnung 1 mit einer entsprechenden Gegenverzahnung reduziert werden. Darüber hinaus weisen die Zähne 2 größere bzw. höhere Zahnflanken 5 auf, die im Betrieb in Eingriff mit einer entsprechenden Gegenverzahnung (nicht dargestellt) eine verbesserte Kraftübertragung ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stirnverzahnung
- 2
- Zahn
- 3
- Zahnlücke
- 4
- Zahnprofil
- 5
- Zahnflanke
- 6
- Zahnkopf
- 7
- Zahnfuß
- 8
- Prägeradius
- 9
- Zahnprofilfläche
- 10
- Werkzeug
- 11
- Zahn
- 12
- Zahnlücke
- 13
- Verzahnung
- 14
- Werkzeugrand
- 15
- Prägeradius
- 16
- Zahnkopfform
- 17
- Hauptprägeradius
- X
- Rotationsachse
- R
- radiale Richtung
- t
- Tiefe
