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Die Erfindung betrifft eine verzahnte Welle-Nabe-Verbindung zur Ausbildung eines gebauten Zahnrades mit zwei Laufverzahnungen für ein Getriebe eines elektromechanischen Achsantriebsstrangs. Die erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung findet sich vorzugsweise bei zwei miteinander gefügten Zahnrädern des Getriebes wieder.
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Die
DE 10 2017 111 039 A1 zeigt ein (mehrteiliges) Zahnrad für ein Planetengetriebe, mit zwei miteinander über eine formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung drehfest verbundenen Verzahnungsbestandteilen, wobei ein erster Verzahnungsbestandteil einen Wellenabschnitt der Welle-Nabe-Verbindung ausbildet und ein zweiter Verzahnungsbestandteil einen Nabenabschnitt der Welle-Nabe-Verbindung ausbildet.
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Die
DE 10 2016 003 139 A1 zeigt eine mittelbare Welle-Nabe-Verbindung mit einem separaten, axial gefügten Verbindungselement als Zwischenglied. Die Verbindung erfolgt durch Formschluss infolge einer plastischen Verformung der Welle und der Nabe durch das Verbindungselement. Die Verzahnung in der
DE 10 2016 003 139 A1 ist als Rändel vorgeschlagen.
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Somit ist bislang im Stand der Technik die Verbindung durch zusätzliche Bauteile (Verbindungselemente) oder zusätzlich eingebrachte Geometrien, z.B.in Trapez-, Steckverbindungs-, Polygonform gesichert beziehungsweise realisiert worden. Alternativ oder zusätzlich dazu ist Schweißvorgang in Erwägung gezogen worden.
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Die bekannten Verbindungsarten spielfrei auszuführen, ist sehr aufwendig (vergleich
DE 10 2016 003 139 A1 ). Wird ein Schweißvorgang genutzt, so ist mit Verzug zu rechnen, der die Geometrien der Funktionsflächen für einen Betrieb des Zahnrades verändert, so dass die ursprüngliche Qualität nicht mehr vorhanden ist und gegebenfalls Nacharbeiten dieser Funktionsflächen an der zusammengebauten Baugruppe erforderlich macht.
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Die Aufgabe lautet, eine alternative Lösung zum Verbinden zweier Bauteile mit Verzahnungen zu finden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Ausgestaltungen dieser Lösungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird somit erfindungsgemäß eine sichere sowie spielfreie Verbindung zur Übertragung von hohen Drehmomenten bereitgestellt.
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Erfindungsgemäß kann der Einsatz des Schweißvorgangs entfallen, da die vorhandene Verzahnung eines Ritzels genutzt wird, die in qualitativ zufriedenstellender Ausführung, sowohl für eine Laufverzahnung als auch für eine formschlüssige Verbindung, vorliegt. Diese Verzahnung wird im Gegenstück aufgenommen (Negativform). Es wird ein somit ein Formschluss zur Drehmomentübertragung ausgebildet.
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Erfindungsgemäß stellen sich die Vorteile ein, dass einfache vorliegende Bauteilgeometrien genutzt werden und zusätzliche nachgelagerte Aufwände, insbesondere Nacharbeiten oder Aufwände zur Erzielung der erforderlichen Qualität, entfallen können. Ferner werden Bauraumreduzierungen erzielt, da auch auf entsprechende Werkzeugausläufe verzichtet werden kann, welche im Stand der Technik vorlagen und ungenutzt im Bauteil verblieben sind.
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Das gebaute Zahnrad ist vorzugsweise Teil eines Planetengetriebes oder einer Untersetzungsstufe des elektromechanischen Achsantriebsstranges.
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So wird die Aufgabe in einer ersten erfindungsgemäßen Variante durch ein gebautes Zahnrad eines elektromechanischen Achsantriebsstranges mit einer Welle und einem Zahnrad gelöst, wobei die Welle eine erste Verzahnung aufweist, welche auf der Außenumfangsfläche der Welle angeordnet ist und das Zahnrad eine zentrische Ausnehmung mit einer an der Innenumfangsfläche der zentrischen Ausnehmung ausgebildeten zweiten Verzahnung zum Eingriff mit der ersten Verzahnung aufweist, wobei die erste Verzahnung eine geradverzahnte Laufverzahnung ist, welche auch mit der zweiten Verzahnung des Zahnrades zur Drehmomentübertragung ineinandergreift, wobei der Modul der ersten Verzahnung und der zweiten Verzahnung gleich ist, und in der ersten Verzahnung zwei Nuten das Zahnrad beidseitig flankierend eingebracht sind, und in der ersten beziehungsweise zweiten Nut ein zur axialen Sicherung vorgesehener erster beziehungsweise zweiter Sicherungsring eingesetzt ist, welche die axiale Position des Zahnrades auf der ersten Verzahnung sichern.
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Vorteilhafterweise kann dadurch die Laufverzahnung auf der Welle sowohl für den Eingriff eines weiteren Zahnrades genutzt werden als auch für die drehmomentfeste Verbindung mit dem Zahnrad, welches mit einer der Laufverzahnung entsprechenden Innenverzahnung auf diese Laufverzahnung aufgesteckt wird. Die geradverzahnte Laufverzahnung auf der Welle ist demnach in der axialen Erstreckung länger als die Nabe des aufgesteckten Zahnrades, damit axial benachbart zu dem aufgesteckten Zahnrad das weitere Zahnrad mit der Laufverzahnung in Eingriff kommen kann.
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Zwischen dem aufgesteckten Zahnrad und der Welle findet keine über- oder untersetzte Drehbewegung statt. Mit anderen Worten ist getriebesinnhaft zwischen der Welle und dem aufgesteckten Zahnrad eine Übersetzung von 1 vorhanden.
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Die erfindungsgemäße geradverzahnte Laufverzahnung ist bevorzugt in axialer Richtung, bis auf die Unterbrechungen durch die eingebrachten Nuten, durchgängig und ohne Änderung im Profil oder Durchmesser ausgebildet, damit sie in einem Herstellungsschritt eingebracht werden kann. Die zweite Verzahnung ist demnach in axialer Richtung kürzer als die erste Verzahnung ausgebildet, damit noch genügend Platz zum Eingriff eines weiteren Zahnrades in die erste Verzahnung vorhanden ist.
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Die erfindungsgemäßen Nuten sind in die Laufverzahnung eingebracht, so dass ein Sicherungsring in diese montiert werden kann und in radialer Richtung über den Kopfkreis der Laufverzahnung hinaussteht, um eine axiale Anlage zur axialen Sicherung des aufgesteckten Zahnrades zu bewirken.
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In einer ersten Ausführungsform der ersten erfindungsgemäßen Lösungsvariante ist das gebaute Zahnrad ein Planetenrad eines Planetengetriebes. Insbesondere bei elektromechanischen Achsantriebssträngen sind gestufte Planetenräder vorteilhaft als Kompromiss zwischen Bauraum und Getriebeübersetzung.
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Die erste erfindungsgemäße Lösungsvariante sieht in einer Ausgestaltung vor, dass die erste Verzahnung mit der zweiten Verzahnung derart ineinandergreift, so dass ein Drehmoment spielfrei in Umfangsrichtung von der ersten Verzahnung auf das Zahnrad übertragen werden kann. Vorteilhafterweise kann auf zusätzliche Mittel zur Verspannung in Umfangsrichtung verzichtet werden, um die in den Fällen von Drehrichtungsumkehr bei elektromechanischen Achsantriebssträngen entstehende Geräuschentwicklung zu reduzieren. Die Spielfreiheit wird erzielt durch Ineinandergreifen der Innen- und Außenverzahnung, wobei die aufgrund der hohen Zähnezahl eine über den Umfang verteilt fehlerbehaftete Passgenauigkeit von Zähnen und Zahnlücken zunutze gemacht wird. Die benötigte Qualität der Zentrierung der beiden Verzahnungen ist aufgrund der vorliegenden Qualitäten von Innenverzahnung und Außenverzahnung geeignet als Laufverzahnungen vorteilhafterweise ebenfalls ausreichend erreicht. Dabei kontaktieren sich Zähne und Zahnlücken der Verzahnungen bevorzugt innerhalb der Evolvente.
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Ferner sieht die Ausgestaltung der ersten erfindungsgemäßen Lösungsvariante vor, dass mit der ersten Verzahnung ein weiteres Zahnrad angetrieben werden kann. Vorteilhafterweise kann ein Hohlrad mit seiner Verzahnung als weiteres Zahnrad in die erste Verzahnung der Welle eingreifen. Damit wird Bauraum optimal genutzt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der ersten erfindungsgemäßen Lösungsvariante hat das Zahnrad eine Außenverzahnung zum Eingriff eines weiteren Zahnrades. Vorteilhafterweise kann ein Sonnenrad mit seiner Verzahnung als weiteres Zahnrad in die Außenverzahnung des Zahnrades eingreifen. Damit wird Bauraum optimal genutzt.
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So entspricht bevorzugt in der ersten erfindungsgemäßen Lösungsvariante der axiale Abstand der beiden Nuten der axialen Länge der Nabe oder der zentrischen Ausnehmung oder der zweiten Verzahnung. Die Sicherungsringe liegen vorteilhafterweise an den äußeren Stirnflächen des Zahnrades an, damit eine Montage per Sichtkontrolle geprüft werden kann.
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So ist zur ersten erfindungsgemäßen Lösungsvariante auch ein Verfahren zur Herstellung eines gebauten Zahnrades vorgesehen, wobei die Welle mit der als geradverzahnten Laufverzahnung ausgebildeten ersten Verzahnung in einem spanabhebenden oder spanlosen Verfahren hergestellt wird und zumindest der Bereich zum Eingreifen mit der zweiten Verzahnung keiner spangebenden Nachbearbeitung unterliegt.
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Ein Verfahren zur Montage des gebauten Zahnrades gemäß der ersten erfindungsgemäßen Lösungsvariante umfasst folgende Schritte:
- a. Fügen des ersten Sicherungsringes in die erste Nut,
- b. koaxial fluchtendes Ausrichten der Welle mit der ersten Verzahnung zum Zahnrad mit der zweiten Verzahnung derart, dass sich jeweils Zahnlücke und Zahn beider Verzahnungen in axialer Richtung gegenüberliegen,
- c. Durchführen einer axialen Relativbewegung zwischen Welle und Zahnrad, so dass die beiden Verzahnungen ineinandergreifen, bis zur Anlage des Zahnrades am ersten Sicherungsring,
- d. Fügen des zweiten Sicherungsringes in die zweite Nut.
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So wird die Aufgabe in einer zweiten erfindungsgemäßen Variante durch ein gebautes Zahnrad eines elektromechanischen Achsantriebsstranges mit einem Deckel und einem Zahnrad gelöst wobei der Deckel eine erste Verzahnung aufweist, welche auf der Außenumfangsfläche des Deckels angeordnet ist und das Zahnrad eine zentrische Ausnehmung mit einer an der Innenumfangsfläche der zentrischen Ausnehmung ausgebildeten zweiten Verzahnung zum Eingriff mit der ersten Verzahnung aufweist, wobei die zweite Verzahnung eine geradverzahnte Laufverzahnung ist, welche auch mit der ersten Verzahnung des Deckels zur Drehmomentübertragung ineinandergreift, wobei der Modul der ersten Verzahnung und der zweiten Verzahnung gleich ist, und in der zweiten Verzahnung zwei Nuten den Deckel beidseitig flankierend eingebracht sind, und in der ersten beziehungsweise zweiten Nut ein zur axialen Sicherung vorgesehener erster beziehungsweise zweiter Sicherungsring eingesetzt ist, welche die axiale Position des Deckels auf der zweiten Verzahnung sichern.
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Das Verfahren zur Montage des gebauten Zahnrades gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Lösungsvariante umfasst folgende Schritte:
- a. Fügen des ersten Sicherungsringes in die erste Nut,
- b. koaxial fluchtendes Ausrichten des Deckels mit der ersten Verzahnung zum Zahnrad mit der zweiten Verzahnung derart, dass sich jeweils Zahnlücke und Zahn beider Verzahnungen in axialer Richtung gegenüberliegen,
- c. Durchführen einer axialen Relativbewegung zwischen Deckel und Zahnrad, so dass die beiden Verzahnungen ineinandergreifen, bis zur Anlage des Deckels am ersten Sicherungsring,
- d. Fügen des zweiten Sicherungsringes in die zweite Nut.
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Vorteilhafter Ausführungsformen sind in den folgenden Figuren dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform der ersten erfindungsgemäßen Lösungsvariante im teilweise montierten Zustand,
- 2 die Ausführungsform nach 1 im vollständig montierten Zustand und in einer geschnittenen Darstellung,
- 3 die Ausführungsform nach 2 in einer anderen Schnittdarstellung,
- 4 eine Ausführungsform der zweiten erfindungsgemäßen Lösungsvariante im teilweise montierten Zustand und
- 5 die Ausführungsform nach 4 im vollständig montierten Zustand und in einer geschnittenen Darstellung.
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1 zeigt eine Ausführungsform der ersten erfindungsgemäßen Lösungsvariante im teilweise montierten Zustand. Teilweise montiert umfasst in der 1 den bereits in die Nut 9 eingesetzten Sicherungsring 11. Die Nut 9 durchschneidet die als gerade Laufverzahnung ausgebildete erste Verzahnung 4 und umläuft die Welle 2 in Umfangsrichtung. Es ist dabei vom Verständnis unerheblich, ob mehrere Zähne jeweils die Nutabschnitte aufweisen, welche dann in Umfangsrichtung aneinandergereiht die Nut 9 darstellen. Die Nut 9 nimmt den Sicherungsring 11 auf, in dem dieser die Zahnlücken im Umfangsrichtung überbrückt. Die Nut 10 ist in axialer Richtung beabstandet benachbart zur Nut 9 platziert und dabei ist in der Darstellung das Verständnis einer Nut klar sichtbar. Die erste Verzahnung 4 erhebt sich von der Außenumfangsfläche 5, so dass die Außenumfangsfläche 5 keine wesentlichen Durchmesseränderungen in axialer Richtung erfährt. Gut erkennbar ist, dass der Bereich der ersten Verzahnung 4 für die Aufnahme des Zahnrades 3 dieselbe Verzahnung aufweist, wie der Bereich der ersten Verzahnung 4, der sich bis zur Stirnfläche der Welle 2 erstreckt. Der Bereich zwischen dem Sicherungsring 19 beziehungsweise der Nut 9 und der Stirnfläche der Welle 2 wird als Laufverzahnung zum Eingriff eines weiteren Zahnrades nutzbar gemacht, in dem die Qualität der Verzahnungsgeometrie der Qualität der ersten Verzahnung im Bereich zwischen den Nuten 9, 11 gleich ist und von keinem Bauteil, außer dem weiteren Zahnrad, zugänglich gemacht ist, in dem keine weiteren Funktionsflächen an der Welle 2 angebracht worden sind.
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Das Zahnrad 3 wird koaxial fluchtend zur Welle 2 positioniert und in axialer Richtung zum bereits montierten Sicherungsring 10 hin bewegt, wobei die zweite Verzahnung 8, ausgebildet an der Innenumfangsfläche 7 der zentrischen Ausnehmung 6, in korrespondierenden Eingriff mit der ersten Verzahnung 4 kommt. Das Zahnrad 3 wird damit auf die Welle 2 aufgesteckt. Abschließend wird der Sicherungsring 12 koaxial fluchtend zur Welle 2 positioniert und in axialer Richtung zum montierten Zahnrad 3 hinbewegt und in die Nut 10 eingerastet. Damit ist das Zahnrad 3 in beiden axialen Richtungen durch die Sicherungsringe 11, 12 gegen ein Wandern im Betrieb auf der ersten Verzahnung 4 und damit auch auf der Welle 2 gesichert. Somit sind die erste Verzahnung 4, die zweite Verzahnung 8 als geradverzahnte Laufverzahnungen ausgebildet. Lediglich die Außenverzahnung 13 des Zahnrades 3 kann als axiale Geradverzahnung (ohne Schrägungswinkel) oder als Schrägverzahnung (mit Schrägungswinkel) ausgebildet sind.
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2 zeigt die Ausführungsform nach 1 im vollständig montierten Zustand und in einer geschnittenen Darstellung. Gut sichtbar ist, dass die Nuten 9 beziehungsweise 10 nicht den Zahn beziehungsweise die erste Verzahnung 4 bis auf den Zahnfuß durchschnitten haben muss. Hier ist beispielsweise von der Nut 9 beziehungsweise 10 der Bereich radial außerhalb (von der Drehachse weg) der Evolvente durchschnitten.
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3 zeigt die Ausführungsform nach 2 in einer anderen Schnittdarstellung. Gut sichtbar ist hier, dass die axiale Erstreckung der zweiten Verzahnung 8 gleich groß der axialen Erstreckung der Nabe des Zahnrades 3 ist und auch nahezu gleich groß dem freien Abstand zwischen den beiden Sicherungsringen 9, 10 (im Zustand des nicht montierten Zahnrads 3). Die Außenverzahnung 13 kann somit in der axialen Breite sowie der axialen Position am Zahnrad 3 nahezu frei gewählt werden, in dem beispielsweise wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, die Sicherungsringe 9, 10 radial innerhalb der Außenverzahnung 13 platziert axial eingerückt sind.
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Bei der Herstellung der ersten Verzahnung 4 kann das Werkzeug von links nach recht vollständig über der Außenumfangsfläche der Welle 2, von Stirnfläche zu Stirnfläche der Welle 2, selbst über die gesamte axiale Länge der Welle 2, drüber fahren, ohne einen separaten Bereich für einen Werkzeugauslauf am Bauteil der Welle 2 vorzuhalten, welcher nach erfolgter Montage mit den restlichen Bauteilen zum gebauten Zahnrad 1, ungenutzt im Platzbedarf verbleibt.
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4 zeigt eine Ausführungsform der zweiten erfindungsgemäßen Lösungsvariante im teilweise montierten Zustand. Die zweite erfindungsgemäße Lösungsvariante sieht einen Deckel 14 zur Montage mit einer innenverzahnten Zahnrad 3 vor. Die zweite Verzahnung 8 ist somit als Innenverzahnung, und nicht mehr als Außenverzahnung 13 der 1 bis 3 ausgebildet, welche sich in einer zentralen Ausnehmung 6 befindet und sich geradlinig (ohne Schrägverzahnungsgeometrie) von der einen Stirnfläche zur anderen Stirnfläche des Zahnrades 3 erstreckt. Das Zahnrad 3 hat nun die beiden Nuten 9 und 10, welche die zweite Verzahnung 8 auf dieselbe Weise durchschneiden, wie bei der ersten erfindungsgemäßen Lösungsvariante. In 4 ist bereits in einer Nut 9 der Sicherungsring 11 eingesetzt und der Deckel 14 mit seiner ersten Verzahnung 4 an seiner Außenumfangsfläche 5 ist koaxial fluchtend mit axialem Abstand zum Zahnrad 3 platziert, um mit diesem in axialer Richtung gefügt zu werden. Die erste Verzahnung 4 des Deckels 14 erstreckt sich vollständig und geradlinig (ohne Schrägverzahnungsgeometrie) von einer Stirnfläche zur anderen Stirnfläche des Deckels 14, also über die gesamte axiale Dicke des Deckels 14. Nach dem Fügen des Deckels 14 in das Zahnrad 3, bei dem die erste und die zweite Verzahnung 4, 8 wie bei der ersten Lösungsvariante, ineinandergreifen, um in Umfangrichtung drehmomentfest zu sein, liegt der Deckel 14 an dem Sicherungsring 9 an. Abschließend wird der Sicherungsring 12 in die Nut 10 eingesetzt und der Deckel 14 ist im Zahnrad 3 axial beidseitig gesichert.
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Das Zahnrad 3 weist neben der zweiten, als geradlinig ausgebildet Laufverzahnung gestaltete Verzahnung 8 keine weitere Verzahnung innerhalb der zentrischen Ausnehmung 6 auf. Somit kann in der rechten Hälfte der Darstellung ein weiteres Zahnrad mit der zweiten Verzahnung 14 in Eingriff kommen. Die Verzahnungsgeometrie der zweiten Verzahnung 8 ändert sich auf der gesamten axialen Länge nicht. Die zweite Verzahnung 14 kann jedoch, wie dargestellt, unterbrochen sein, weist dennoch dieselbe Qualität auf der gesamten axialen Länge des Zahnrades 3 auf.
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5 zeigt die Ausführungsform nach 4 im vollständig montierten Zustand und in einer geschnittenen Darstellung. Die Nuten 9 beziehungsweise 10 durchschneiden analog zur Darstellung nach 3 nicht den Zahn beziehungsweise die zweite Verzahnung 8 bis zum Zahnfuß. Hier ist beispielsweise von der Nut 9 beziehungsweise 10 der Bereich radial außerhalb (zur Drehachse hin) der Evolvente durchschnitten. Die Ausführung der 4 und 5 können auf Hohlräder angewendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- gebautes Zahnrad
- 2
- Welle
- 3
- Zahnrad
- 4
- erste Verzahnung
- 5
- Außenumfangsfläche
- 6
- zentrische Ausnehmung
- 7
- Innenumfangsfläche
- 8
- zweite Verzahnung
- 9
- erste Nut
- 10
- zweite Nut
- 11
- erster Sicherungsring
- 12
- zweiter Sicherungsring
- 13
- Außenverzahnung
- 14
- Deckel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017111039 A1 [0002]
- DE 102016003139 A1 [0003, 0005]
