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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung mit einer Antriebswelle, einer weiteren Welle und einem Zahnrad.
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DE 10 2009 012 812 A1 offenbart ein Zahnrad mit einem eine Verzahnung aufweisenden Zahnkranz, welcher über eine Stegzone mit einer Nabe verbunden ist, wobei die Materialverteilung im Bereich der Stegzone an die im Betrieb auftretenden Spannungen angepasst ist.
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DE 10 2019 130 185 A1 offenbart ein Stirnrad, umfassend einen radial außen angeordneten, stirnverzahnten Zahnkranz, eine radial innen angeordnete Nabe und eine den Zahnkranz mit der Nabe einstückig verbindende, rotationssymmetrische Radialverbindungsstruktur.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine demgegenüber verbesserte Antriebsanordnung mit einem optimierten Zahnrad bereitzustellen.
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Die Antriebsanordnung weist eine Antriebswelle, eine weitere Welle und ein Zahnrad auf. Das Zahnrad ist, insbesondere drehfest, auf der weiteren Welle angeordnet. Das Zahnrad weist eine Nabe, einen Zahnkranz mit einer Verzahnung und einen Steg (Stirnradsteg) auf, der die Nabe mit dem Zahnkranz verbindet. Der Zahnkranz ist mit seiner Verzahnung mit einer weiteren Verzahnung der Antriebswelle in kämmendem Eingriff. Der Steg ist asymmetrisch, d.h. bezogen auf eine Mittelebene des Zahnrades (axial) zu einem ersten Ende hin versetzt an dem Zahnkranz angebunden, so dass der Zahnkranz am (axial) anderen (zweiten) Ende nachgeben kann, insbesondere bei (bzw. als Reaktion auf) im Betrieb auftretenden Radialkräften.
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Mit anderen Worten ist die Anbindung bzw. der Anbindungspunkt des Stegs am Zahnkranz asymmetrisch bzw. außermittig (außerhalb der Mittelebene des Zahnrads) angeordnet und zum ersten Ende des Zahnkranzes hin versetzt. Der Zahnkranz ist somit am anderen (zweiten) Ende entlang der Radialrichtung nachgiebiger als am ersten Ende.
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Dadurch, dass die Anbindung bzw. der Anbindungspunkt auf die erste Seite (erstes Ende) gelegt wurde, kann der Zahnkranz auf der hochbelasteten zweiten (rechten) Seite (zweites Ende) nachgeben, wodurch ein gleichmäßiges Tragen über die gesamte Zahnflanke erreicht werden kann. Die optimale Position der Anbindung bzw. des Anbindungspunkts kann bspw. über mehrere Konstruktions- und/oder Berechnungsschleifen ermittelt werden.
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Die Antriebswelle und die weitere Welle, bei der es sich um eine Zwischenwelle handeln kann, sind insbesondere parallel zueinander angeordnet (Mittellängsachsen der betreffenden Wellen parallel zueinander orientiert). Die Antriebswelle kann, axial abschnittsweise oder vollständig, als Hohlwelle ausgebildet sein. Die weitere Welle kann, axial abschnittsweise oder vollständig, als Hohlwelle ausgebildet sein.
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Die Antriebsanordnung kann ein Gehäuse aufweisen. In dem Gehäuse kann zumindest ein Großteil der Komponenten der Antriebsanordnung angeordnet sein. Die Antriebswelle und die weitere Welle (Zwischenwelle) können jeweils mittels Wälzlagern drehbar in dem Gehäuse der Antriebsanordnung gelagert sein.
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Bei der Verzahnung des Zahnkranzes und der weiteren Verzahnung der Antriebswelle kann es sich insbesondere um Stirnverzahnungen bzw. Stirnradverzahnungen handeln. Die Antriebswelle und das Zahnrad können eine erste Verzahnungsstufe bilden.
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Bei der Antriebsanordnung kann es sich bspw. um eine Getriebeeinheit oder um eine Motor-Getriebe-Einheit für einen elektrischen Traktionsantrieb (Primärantrieb) oder um einen elektrischen Traktions-Hilfsantrieb („Boost-Achse“) eines Fahrzeugs handeln.
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Vorzugsweise weist die Antriebswelle an einem Ende einen Ankopplungsabschnitt zur Ankopplung einer Antriebsquelle auf, bspw. eines Motors, wobei das erste Ende des Zahnkranzes dem Ankopplungsabschnitt zugewandt ist. Mit anderen Worten „blicken das erste Ende des Zahnkranzes und der Ankopplungsabschnitt der Antriebswelle in die gleiche Richtung“. Der Zahnkranz ist somit in Radialrichtung an dem Ende steifer ausgebildet, von dem an der Antriebswelle ein Drehmoment der Antriebsquelle eingeleitet wird.
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Vorzugsweise kann ein Motor, insbesondere ein Elektromotor, vorgesehen sein, der unmittelbar oder mittelbar mit dem Ankopplungsabschnitt der Antriebswelle derart gekoppelt ist, dass der Motor die Antriebswelle (im Betrieb, d.h. bei eingeschaltetem Motor) drehend antreiben kann. Mit anderen Worten kann der Motor die Antriebswelle ausgehend von dem Ankopplungsabschnitt mit einem Drehmoment beaufschlagen. Im Ankopplungsabschnitt kann die Antriebswelle eine Verzahnung, insbesondere eine Innenverzahnung, aufweisen. Für eine unmittelbare Kopplung kann der Motor, insbesondere Elektromotor, mit seiner Motorwelle unmittelbar mit dem Ankopplungsabschnitt der Antriebswelle gekoppelt sein. Für eine mittelbare Kopplung kann zwischen Motorwelle und Ankopplungsabschnitt bspw. ein Vorschaltgetriebe geschaltet sein.
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Vorzugsweise kann sich der Steg entlang einer Erstreckungsrichtung bzw. Erstreckungsachse von der Nabe zum Zahnkranz erstrecken, wobei die Erstreckungsrichtung bzw. Erstreckungsachse mit der Mittelebene des Zahnrades einen Winkel einschließt. Somit erstreckt sich der Steg nicht entlang der Radialrichtung (orthogonal zur Mittellängsachse des Zahnrades), sondern unter einem Winkel zur Radialrichtung. Dies begünstigt die Stabilität der Anbindung an der Nabe bzw. die Nabenstabilität insgesamt.
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Vorzugsweise kann die Anbindung zwischen Nabe und Steg näher an der Mittelebene des Zahnrades liegen als die Anbindung zwischen Steg und Zahnkranz. Somit ist die Anbindung des Stegs an der Nabe vergleichsweise mittig. Die Steifigkeit und Stabilität der Nabe ist begünstigt. Zudem trägt diese Bauweise zu einer stabilen Anbindung des Zahnrades an der weiteren Welle (Zwischenwelle) bei. Am Zahnkranz bzw. an der Anbindung zwischen Steg und Zahnkranz ist hingegen die gewünschte Flexibilität gewährleistet.
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Vorzugsweise kann eine dritte Welle vorgesehen sein, wobei die weitere Welle (Zwischenwelle) zwischen der Antriebswelle und der dritten Welle angeordnet ist, wobei auf der weiteren Welle (Zwischenwelle) eine dritte Verzahnung insbesondere drehfest angeordnet ist und auf der dritten Welle ein zweites Zahnrad mit einer Verzahnung insbesondere drehfest angeordnet ist, wobei die dritte Verzahnung und das zweite Zahnrad mit seiner Verzahnung in kämmendem Eingriff miteinander sind. Die dritte Verzahnung und das zweite Zahnrad mit seiner Verzahnung können somit eine weitere (zweite) Verzahnungsstufe ausbilden, bspw. eine Endübersetzung (Final Drive). Somit kann die Antriebsanordnung ein größeres Übersetzungsverhältnis bereitstellen. Die dritte Welle kann somit als Abtriebswelle bezeichnet werden. Die dritte Welle kann insbesondere parallel zur Antriebswelle und/oder der weiteren Welle angeordnet sein.
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Das oben beschriebene Prinzip des an einem Ende infolge von Radialkräften verformbaren Zahnkranz, welches an der ersten Verzahnungsstufe (Antriebswelle und erstes Zahnrad auf weiterer Welle) beschrieben wurde, kann auch bei der zweiten Verzahnungsstufe zur Anwendung kommen.
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So kann vorzugsweise das zweite Zahnrad eine Nabe, einen Zahnkranz mit der voranstehend bereits erläuterten Verzahnung und einen Steg (Stirnradsteg) aufweisen, der die Nabe mit dem Zahnkranz verbindet, wobei der Steg asymmetrisch, d.h. bezogen auf eine Mittelebene des zweiten Zahnrades (axial) zu einem ersten Ende hin versetzt an dem Zahnkranz angebunden ist, so dass der Zahnkranz am (axial) anderen (zweiten) Ende nachgeben kann, insbesondere bei (bzw. als Reaktion auf) im Betrieb auftretenden Radialkräften. Somit kann auch hier ein gleichmäßiges Tragen über die gesamte Zahnflanke erreicht werden, wie oben bereits erläutert.
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Zur weiteren Ausgestaltung des zweiten Zahnrades können die im Zusammenhang mit dem ersten Zahnrad erläuterten Maßnahmen dienen, insbesondere die Orientierung der Erstreckungsrichtung des Stegs zur Mittelebene des Zahnrades unter einem Winkel oder die nähere Anordnung der Anbindung zwischen Nabe und Steg an der Mittelebene des Zahnrades als die Anbindung zwischen Steg und Zahnkranz.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
- 1 schematisch einen Längsschnitt durch eine Antriebsanordnung.
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In 1 ist schematisch ein Längsschnitt durch eine Antriebsanordnung 100 dargestellt.
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Die Antriebsanordnung 100 weist ein Gehäuse 102 auf, in der die Komponenten der Antriebsanordnung 100 angeordnet sind. Die Antriebsanordnung 100 weist eine Antriebswelle 104 und eine weitere Welle bzw. Zwischenwelle 106 auf. Die Antriebswelle 104 und die weitere Welle 106 sind im Beispiel parallel zueinander angeordnet. Die Antriebswelle 104 ist im Beispiel als Hohlwelle ausgebildet und mittels Wälzlagern 108, 110 drehbar im Gehäuse 102 gelagert. Die weitere Welle 106 ist im Beispiel ebenfalls als Hohlwelle ausgebildet und mittels Wälzlagern 112, 114 drehbar im Gehäuse 102 gelagert.
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Die Antriebsanordnung 100 weist weiter ein Zahnrad 120 auf, welches im Beispiel drehfest auf der weiteren Welle 106 angeordnet ist. Das Zahnrad 120 weist eine Nabe 122, einen Zahnkranz 124 mit einer Verzahnung 126 und einen Steg 128 auf, der die Nabe 122 mit dem Zahnkranz 124 verbindet. Der Zahnkranz 124 ist mit seiner Verzahnung 126 mit einer weiteren Verzahnung 116 in kämmendem Eingriff, wobei die weitere Verzahnung 116 auf der Außenseite der Antriebswelle 104 ausgebildet ist. Die Verzahnung 126 des Zahnkranzes 124 und die weitere Verzahnung 116 der Antriebswelle 104 sind im Beispiel als Stirnverzahnungen ausgebildet. Die Antriebswelle 104 und das Zahnrad 120 bilden eine erste Verzahnungsstufe.
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Der Steg 128 ist asymmetrisch, d.h. bezogen auf eine Mittelebene 130 des Zahnrades 120 (axial) zu einem ersten Ende 132 hin versetzt an dem Zahnkranz 124 angebunden, so dass der Zahnkranz 124 am (axial) anderen (zweiten) Ende 134 nachgeben kann, insbesondere bei im Betrieb auftretenden Radialkräften.
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Die Antriebswelle 104 weist an einem Ende einen Ankopplungsabschnitt 105 zur Ankopplung einer Antriebsquelle, bspw. einem Motor, auf, wobei das erste Ende 132 des Zahnkranzes 124 dem Ankopplungsabschnitt 105 zugewandt ist. Im Ankopplungsabschnitt 105 weist die Antriebswelle 104 eine Verzahnung auf, und zwar eine Innenverzahnung 107. An die Innenverzahnung 107 kann ein (nicht dargestellter) Motor, bspw. ein Elektromotor mit seiner Motorwelle angekoppelt werden, der im Betrieb die Antriebswelle 104 drehend antreiben kann.
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Der Steg 128 erstreckt sich entlang einer Erstreckungsrichtung 129 von der Nabe 122 zum Zahnkranz 124, wobei die Erstreckungsrichtung 129 mit der Mittelebene 130 des Zahnrades 120 einen Winkel β einschließt. Die Anbindung 136 zwischen Nabe 122 und Steg 128 liegt näher an der Mittelebene 130 des Zahnrades 120 als die Anbindung 138 zwischen Steg 128 und Zahnkranz 124.
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Wie oben bereits erläutert, kann eine dritte Welle vorgesehen sein, auf der ein zweites Zahnrad mit einer Verzahnung drehfest angeordnet ist (nicht gezeigt). Die dritte Welle ist parallel zur weiteren Welle 106 angeordnet, wobei die weitere Welle 106 zwischen der Antriebswelle 104 und der (nicht gezeigten) dritten Welle angeordnet ist. Auf der weiteren Welle 106 ist eine dritte Verzahnung 109 drehfest ausgebildet, die mit der Verzahnung des zweiten Zahnrades (nicht gezeigt) in kämmendem Eingriff ist. Das zweite Zahnrad kann analog zum (ersten) Zahnrad 120 ausgebildet sein, wie oben erläutert.
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Die Wirkung der vorgeschlagenen Antriebsanordnung 100 wird nachfolgend anhand der Antriebswelle 104 und dem Zahnrad 120 erläutert:
- Die zwischen der Verzahnung 116 der Antriebswelle 104 und der Verzahnung 126 des Zahnrades 120 auftretenden Radialkräfte drücken die Verzahnungen 116, 126 auseinander und führen zu einer Durchbiegung der Antriebswelle 104 und der weiteren Welle 106 (anhand der durchgebogenen Mittellängsachsen 140, 142 veranschaulicht). Wäre das Zahnrad 120 herkömmlich ausgebildet (symmetrische, radiale Anordnung des Steges 128), würde dies zu einer lokalen Pressungserhöhung auf den Zahnflanken führen (am in 1 rechten Ende der Verzahnungen 116, 126), da sich die Verzahnung 116 und das Zahnrad 120 mit seiner Verzahnung 126 entsprechend der jeweiligen Welle 104, 106 verformen. Die lokale Pressungserhöhung hätte negative Auswirkungen auf Akustik und Lebensdauer zur Folge.
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Bei der vorgeschlagenen Antriebsanordnung 100 ist am Zahnrad 120 der Radkörper so ausgeführt, dass sich unter Last ein vorteilhaftes Verformungsverhalten ergibt. Im Beispiel wurde die Anbindung 138 zwischen Steg 128 und Zahnkranz 124 auf die linke Seite gelegt (erstes Ende 132). Dadurch kann der Zahnkranz auf der hochbelasteten rechten Seite (zweites Ende 134) nachgeben, wodurch ein gleichmäßiges Tragen über die gesamte Flanke erreicht werden kann.
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Wie anhand der Kontur 116' der Verzahnung 116 veranschaulicht, verformt sich die Verzahnung 116 entsprechend der Verformung der Antriebswelle 104. Infolge der Positionierung der Anbindung 138 kippt bzw. schwenkt nur die Nabe 122 mit der weiteren Welle 106 weg (vgl. Kontur 122'), der Zahnkranz 124 hingegen kippt bzw. schwenkt um den Anbindungspunkt 138' (vgl. Kontur 124'). Die Zahnflanken der Verzahnungen 116, 126 bleiben somit weitestgehend parallel zueinander angeordnet. Dies wirkt sich positiv auf die Akustik und die Lebensdauer aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009012812 A1 [0002]
- DE 102019130185 A1 [0003]
