DE102022203534B3

DE102022203534B3 - Zahnrad mit einem dreiteiligen Aufbau

Info

Publication number: DE102022203534B3
Application number: DE102022203534.8A
Authority: DE
Inventors: Marcel PLEYER; Remt Blankenspeck; Thorsten Kamphaus
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-08-31
Anticipated expiration: 2042-04-08
Also published as: CN116892602A; US20230323937A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad (1, 11, 31) mit einem dreiteiligen Aufbau aus einem äußeren Zahnkranz (2), einem Verbindungselement (3) und einem inneren Nabenelement (4), wobei der äußere Zahnkranz (2) mehrere Zähne (5) aufweist und aus einem Kunststoffmaterial gebildet sowie an einem äußeren Rand (16) des Verbindungselementes (3) spritzgegossen ist, wobei das Verbindungselement (3) eine mittige Durchgangsöffnung (7) aufweist, und in der Durchgangsöffnung (7) das Nabenelement (4) angeordnet ist. Um einen gewichtsreduzierten und/oder kostengünstigen Aufbau zu ermöglichen, ist das Zahnrad (1, 11, 31) dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) eine geringere Materialstärke als das Nabenelement (4) hat, wobei das Verbindungselement (3) mehrere Verstärkungsstrukturen (17, 24) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad mit einem dreiteiligen Aufbau aus einem äußeren Zahnkranz, einem Verbindungselement und einem inneren Nabenelement, wobei der äußere Zahnkranz mehrere Zähne aufweist und aus einem Kunststoffmaterial gebildet sowie an einem äußeren Rand des Verbindungselementes spritzgegossen ist, wobei das Verbindungselement eine mittige Durchgangsöffnung aufweist, und in der Durchgangsöffnung das Nabenelement angeordnet ist.
Ein derartiges Zahnrad ist aus der nachveröffentlichten DE 10 2021 213 541 A1 bekannt. Ein solches Zahnrad kann als ein Schneckenrad ausgebildet sein und in einem Schneckengetriebe und/oder einer Lenkung eines Fahrzeugs angeordnet sein.
Aus der JP 2007 - 255 524 A ist ein Zahnrad mit einem zweiteiligen Aufbau aus einem äußeren Zahnkranz und einem Verbindungselement bekannt. Das Verbindungselement weist mehrere Verstärkungsstrukturen auf.
In einem montierten Zustand, beispielsweise in einer Lenkung eines Fahrzeugs, kann der Zahnkranz mit einem weiteren Zahnrad oder einer Zahnwelle zusammenwirken. Das Nabenelement kann in diesem montieren Zustand eine Achse oder ein Ritzel aufnehmen. Hierbei muss das Zahnrad eine zuverlässige Kraft- und Drehmomentübertragung gewährleisten. Zugleich ist ein gewichtsreduzierter und/oder kostengünstiger Aufbau gewünscht.
Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Zahnrad der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, sodass ein gewichtsreduzierter und/oder kostengünstiger Aufbau ermöglicht ist. Insbesondere soll eine alternative Ausführungsform bereitgestellt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit einem Zahnrad nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Zahnrad weist einen dreiteiligen Aufbau auf. Dieser dreiteilige Aufbau ergibt sich aus einem äußeren Zahnkranz, einem Verbindungselement und einem inneren Nabenelement. Hierbei weist der äußere Zahnkranz mehrere Zähne auf. Die Zähne können hierbei jedwede aus dem Stand der Technik und im Zusammenhang mit einem Zahnrad bekannte Gestalt, Form und/oder Ausrichtung aufweisen. Der äußere Zahnkranz ist aus einem Kunststoffmaterial gebildet sowie an einem äußeren Rand des Verbindungselementes spritzgegossen. Hierbei kann der äußere Zahnkranz auf und/oder um den äußeren Rand des Verbindungselementes spritzgegossen sein. Insbesondere ist der äußere Zahnkranz mittels eines Schirmangusses auf den äußeren Rand des Verbindungselementes spritzgegossen. Bei dem Kunststoffmaterial kann es sich um ein unverstärktes oder faserverstärktes Kunststoffmaterial handeln. Das Kunststoffmaterial kann gleitreibungsoptimiert ausgebildet sein und/oder eigenschmierende bzw. selbstschmierende Eigenschaften aufweisen. Insbesondere bildet der äußere Zahnkranz einen Außenumfang des Zahnrades.
Das Verbindungselement weist eine mittige Durchgangsöffnung auf. Insbesondere erstreckt sich die Durchgangsöffnung in axialer Richtung der Mittelachse des Zahnrads. Vorzugsweise beziehen sich die Begriffe „äußerer“ Zahnkranz und „inneres“ Nabenelement auf eine radiale Ausrichtung und/oder Positionierung in Bezug zu der Mittelachse des Zahnrads und/oder in Bezug zum Verbindungselement und/oder in Bezug der drei Bauelemente des Zahnrads zueinander.
In der Durchgangsöffnung ist das Nabenelement angeordnet. Insbesondere ist das Nabenelement in die Durchgangsöffnung eingepresst. Vorzugsweise ist mittels der Pressverbindung zwischen dem Nabenelement und dem Verbindungselement eine relative Verlagerung des Nabenelementes in Bezug zum Verbindungselement, insbesondere in axialer Richtung zu der Mittelachse des Zahnrads, verhindert oder blockiert. Alternativ oder zusätzlich zum Einpressen des Nabenelementes kann das Nabenelement mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere mittels eines Haftvermittlers und/oder eines Klebematerials, mit dem Verbindungselement verbunden sein. Die stoffschlüssige Verbindung kann darüber hinaus mittels eines Schweißverfahrens oder eines Laserverfahrens hergestellt werden.
Erfindungsgemäß hat das Verbindungselement eine geringere Materialstärke als das Nabenelement, wobei das Verbindungselement mehrere Verstärkungsstrukturen aufweist.
Hierbei ist von Vorteil, dass einerseits aufgrund der geringeren Materialstärke des Verbindungselementes im Vergleich zum Nabenelement ein leichteres und/oder kostengünstigeres Zahnrad herstellbar ist. Andererseits ist mittels der mehreren Verstärkungsstrukturen des Verbindungselementes zugleich eine hinreichende Stabilität gewährleistet, so dass das Zahnrad zuverlässig Kräfte aufnehmen und/oder weiterleiten kann.
Vorzugsweise ist das Zahnrad als ein Schneckenrad, insbesondere für eine Lenkung eines Fahrzeugs, ausgebildet. Ein derartiges Schneckenrad kann mit einer Schneckenwelle zum Antreiben des Schneckenrads und einer in dem Nabenelement angeordneten Welle oder Ritzelwelle verbunden sein.
Die Durchgangsöffnung des Verbindungselementes kann eine runde oder unrunde, insbesondere polygone, Innenkontur aufweisen. Hierbei ist in der Innenkontur das Nabenelement angeordnet. Insbesondere ist das Nabenelement innerhalb des Verbindungselementes und/oder mittig an dem Verbindungselement angeordnet. Das Nabenelement weist eine zu der Innenkontur korrespondierend ausgebildete runde oder unrunde, insbesondere polygone, Außenkontur auf. Insbesondere sind die Innenkontur und die Außenkontur koaxial oder im Wesentlichen koaxial zur Mittelachse des Zahnrads angeordnet oder ausgebildet. Bei einer unrunden Innenkontur der Durchgangsöffnung in Kombination mit einer unrunden Außenkontur des Nabenelementes ist hierdurch zugleich eine relative Verlagerung des Nabenelementes in Bezug zum Verbindungselement und in Umfangsrichtung der Außenkontur blockiert. Das Nabenelement kann an seinem Außenumfang eine Rändelung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Verbindungselement an einer Innenseite der Durchgangsöffnung eine Rändelung aufweisen. Die Rändelung kann eine relative Verlagerung des Nabenelementes in Bezug zum Verbindungselement verhindern oder blockieren. Vorzugsweise bewirken Formschlusselemente, insbesondere korrespondierend zueinander ausgebildete Hinterschnitte und/oder Vorsprünge des Nabenelementes und des Verbindungselementes, eine Sicherung des Nabenelementes an dem Verbindungselement. Derartige Formschlusselemente können mittels Umformtechniken hergestellt werden oder sein. Gemäß einer weiteren Alternative können die Flächen der Außenkontur des Nabenelementes und der Innenseite der Durchgangsöffnung des Verbindungselementes glatt ausgebildet sein. In diesem Fall kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Nabenelement und dem Verbindungselement hergestellt werden oder sein. Die stoffschlüssige Verbindung kann mittels eines Haftvermittlers oder einem Klebemittel oder mittels eine Schweißverfahrens, insbesondere einem Laserschweißverfahren, hergestellt werden oder sein.
Erfindungsgemäß weist das Nabenelement eine mittige hohlzylindrische Aufnahme auf. Insbesondere dient die hohlzylindrische Aufnahme des Nabenelementes zum Anordnen oder Aufpressen des Zahnrads auf eine Welle, die einen Zylinderabschnitt oder eine zylindrische Außenfläche aufweist. Vorzugsweise ist die Welle als eine Ritzelwelle ausgebildet. Die Kombination eines erfindungsgemäßen Zahnrads mit einer Ritzelwelle kann beispielsweise in einer Lenkung eines Fahrzeugs Verwendung finden.
Vorzugsweise ist das Nabenelement aus Metall, insbesondere als ein kaltfließgepresstes Bauteil oder als ein Abschnitt einer Stange oder eines Rohrs, gebildet. Das Verbindungselement kann aus Metall oder einem Metallblech gebildet sein. Zum Ausbilden des Verbindungselementes kann das Metallblech umgeformt sein. Insbesondere ist das Nabenelement aus einem ersten Metall und das Verbindungselement aus einem zu dem ersten Metall verschiedenen zweiten Metall gebildet. Der äußere Zahnkranz ist aus einem Kunststoffmaterial gebildet. Somit kann das Zahnrad als ein Hybrid-Zahnrad aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Verstärkungsstrukturen mittels Materialumformungen des Verbindungselementes ausgebildet. Insbesondere sind die Verstärkungsstrukturen als einstückige Bestandteile des Verbindungselementes ausgebildet. Das Verbindungselement kann als ein umgeformtes Blechbauteil realisiert sein. Beim Ausbilden des Verbindungselementes durch Umformen des Metallblechs können zugleich die Verstärkungsstrukturen durch vorgegebene, lokale Umformungen des Metallblechs hergestellt werden. Die Verstärkungsstrukturen können als Nuten, Rippen und/oder Sicken ausgebildet sein. Derartige Verstärkungsstrukturen lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise mittels Prägungen des Metallblechs zum Ausbilden des Verbindungselementes realisieren.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist das Verbindungselement aus einem ersten Wandabschnitt, einem zweiten Wandabschnitt und einem Ringabschnitt gebildet. Hierbei verbindet der Ringabschnitt den ersten Wandabschnitt mit dem zweiten Wandabschnitt. Insbesondere sind der erste Wandabschnitt, der zweite Wandabschnitt und der Ringabschnitt aufgrund von Umformungen eines Metallblechs zum Ausbilden des Verbindungselementes gebildet. Die Verstärkungsstrukturen können an dem ersten Wandabschnitt und/oder an dem Ringabschnitt ausgebildet sein.
Vorzugsweise bildet der erste Wandabschnitt den äußeren Rand des Verbindungselementes. Somit ist an dem ersten Wandabschnitt das Kunststoffmaterial zum Ausbilden des äußeren Zahnkranzes angegossen. Insbesondere ist mindestens der erste Wandabschnitt vollständig in das Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes eingebettet. Hierbei kann sich das Kunststoffmaterial in einen Zwischenraum zwischen dem ersten Wandabschnitt und dem zweiten Wandabschnitt hinein erstrecken. Der Zwischenraum kann teilweise oder vollständig mit dem Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes ausgefüllt sein. Eine von dem Nabenelement abgewandte Seite des zweiten Wandabschnittes kann von dem Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes bedeckt sein. Vorzugsweise ist jedoch lediglich der erste Wandabschnitt in das Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes eingebettet und der zweite Wandabschnitt beziehungsweise eine von dem Nabenelement abgewandte Seite des zweiten Wandabschnittes liegt frei. Somit kann der zweite Wandabschnitt nicht von dem Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes bedeckt sein.
Der zweite Wandabschnitt kann die Durchgangsöffnung zum Aufnehmen des Nabenelementes bilden. Das Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes kann sich entlang einer Seite des Verbindungselementes, insbesondere des Ringabschnittes, bis zum Nabenelement erstrecken. Hierbei kann das Kunststoffmaterial eine Stirnseite des Nabenelementes bedecken. Hierdurch ergibt sich zwischen dem Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes und der Stirnseite des Nabenelementes ein zusätzlicher Formschluss. Insbesondere wirkt dieser Formschluss in axialer Richtung der Mittelachse des Zahnrads.
Insbesondere erstreckt sich der erste Wandabschnitt und/oder der zweite Wandabschnitt in axialer Richtung und/oder parallel zu der Mittelachse des Zahnrads. Vorzugsweise erstreckt sich der Ringabschnitt zwischen den beiden Wandabschnitten radial zu der Mittelachse des Zahnrads. Die beiden Wandabschnitte können somit quer oder rechtwinklig zum Ringabschnitt ausgerichtet sein. Insbesondere erstrecken sich die beiden Wandabschnitte in dieselbe Richtung von dem Ringabschnitt weg. Der erste Wandabschnitt und/oder der zweite Wandabschnitt können im Wesentlichen ringartig und/oder polygonartig ausgebildet sein. Des Weiteren können der erste Wandabschnitt und/oder der zweite Wandabschnitt koaxial zu der Mittelachse des Zahnrads angeordnet oder ausgebildet sein. Vorzugsweise bilden der erste Wandabschnitt, der zweite Wandabschnitt und der Ringabschnitt einen ringartigen und/oder im Querschnitt U-Form-artigen Kanal.
Gemäß einer Weiterbildung ist im ersten Wandabschnitt eine Verstärkungsstruktur jeweils als eine Nut ausgebildet. Hierbei erstreckt sich die als Nut ausgebildete Verstärkungsstruktur in axialer Richtung und/oder parallel zu der Mittelachse des Zahnrads. Insbesondere springt die als Nut ausgebildete Verstärkungsstruktur vorsprungartig und/oder radial nach außen vor. Die Nut kann einen bogenförmigen, kreisbogenförmigen oder halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen. Insbesondere ergibt sich ein solcher Querschnitt mit einer Blickrichtung in Richtung der Mittelachse des Zahnrads. Entsprechende Verstärkungsstrukturen beziehungsweise Nuten lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise durch Umformung eines Metallblechs zum Ausbilden des Verbindungselementes herstellen. Jeweils ein Abschnitt zwischen zwei unmittelbar benachbarten Nuten kann plattenförmig ausgebildet sein. Insbesondere weist der Abschnitt eine radial zur Mittelachse angeordnete ebene innere Seite und ebene äußere Seite auf. Der erste Wandabschnitt kann mehrere der plattenförmigen Abschnitte aufweisen. Vorzugsweise weist der erste Wandabschnitt aufgrund der mehreren plattenartigen Abschnitte eine polygonförmige oder polygonartige Grundform auf. Insbesondere bildet jeweils einen Verstärkungsstruktur, vorzugsweise die als Nut ausgebildete Verstärkungsstruktur, einen Übergang zwischen zwei benachbarten plattenartigen Abschnitten.
Insbesondere ist mit der als Nut ausgebildeten Verstärkungsstruktur eine Lastübertragung und/oder Drehmomentübertragung zwischen dem Zahnkranz und dem Verbindungselement verbessert. Hierbei kann sich das Kunststoffmaterial des Zahnkranzes bei einer torsionalen Belastung, insbesondere aufgrund einer mit dem Zahnkranz zusammenwirkenden Welle oder Schneckenwelle, auf der Verstärkungsstruktur abstützen.
Vorzugsweise weisen die als Nuten im ersten Wandabschnitt ausgebildeten Verstärkungsstrukturen jeweils ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende auf. Insbesondere ist das geschlossene Ende aufgrund eines Überganges des ersten Wandabschnittes in den Ringabschnitt gebildet. Somit kann das offene Ende der Nut an einer von dem Ringabschnitt abgewandten Kante des ersten Wandabschnittes angeordnet oder ausgebildet sein.
Vorzugsweise bilden die als Nuten im ersten Wandabschnitt ausgebildeten Verstärkungsstrukturen jeweils an einer Außenseite des ersten Wandabschnittes eine radial konvexe Kontur und an einer Innenseite des ersten Wandabschnittes eine radial konkave Kontur. Insbesondere ergeben sich die radial konvexen und radial konkaven Konturen in radialer Richtung zur Mittelachse des Zahnrads. Vorzugsweise ist die Außenseite des ersten Wandabschnittes von dem zweiten Wandabschnitt abgewandt. Die Innenseite des ersten Wandabschnittes kann dem zweiten Wandabschnitt zugewandt sein. Insbesondere sind die mehreren Verstärkungsstrukturen im ersten Wandabschnitt gleichmäßig in Umfangsrichtung um die Mittelachse des Zahnrades an dem ersten Wandabschnitt und voneinander beabstandet verteilt ausgebildet. Vorzugsweise ist mittels der Verstärkungsstrukturen im ersten Wandabschnitt eine Verbindung, insbesondere ein Formschluss, zwischen dem Verbindungselement und dem Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes verbessert.
Gemäß einer Weiterbildung ist zwischen den als Nuten im ersten Wandabschnitt ausgebildeten Verstärkungsstrukturen jeweils eine Materialausnehmung gebildet.
Insbesondere ist jeweils eine oder können mehrere Materialausnehmungen zwischen unmittelbar benachbarten als Nuten ausgebildete Verstärkungsstrukturen ausgebildet sein. Alternativ können nur bei vorgegebenen Paaren von unmittelbar benachbarten als Nuten ausgebildeten Verstärkungsstrukturen eine oder mehrere Materialausnehmungen ausgebildet sein. Beispielsweise ist zwischen jedem zweiten oder jedem dritten Paar von unmittelbar benachbarten als Nuten ausgebildeten Verstärkungsstrukturen zumindest eine Materialausnehmung ausgebildet, während zwischen den jeweils anderen Paaren von unmittelbar benachbarten als Nuten ausgebildeten Verstärkungsstrukturen keine Materialausnehmung ausgebildet ist.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Nutfläche jeweils einer Nut eine Materialausnehmung aufweisen. Insbesondere ist die Nutfläche als ein Nutgrund der Nut ausgebildet sein. Insbesondere bildet die Nutfläche und/oder der Nutgrund einen radial nach außen gerichteten Vorsprung des Verbindungselementes.
Eine Materialausnehmung kann mittels einer Stanzung oder Bohrung hergestellt sein. Die Materialausnehmung kann beispielsweise als ein Loch oder als ein Langloch oder als ein Schlitz ausgebildet sein. Insbesondere ist die Materialausnehmung mit dem Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes ausgefüllt. Hierdurch ist die Verbindung, insbesondere ein Formschluss, zwischen dem äußeren Zahnkranz und dem Verbindungselement weiter verbessert. Vorzugsweise ist mittels der Materialausnehmung eine Lastübertragung und/oder Drehmomentübertragung zwischen dem Zahnkranz und dem Verbindungselement verbessert.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist im Ringabschnitt eine Verstärkungsstruktur jeweils als eine Rippe ausgebildet. Derartige Rippen können mittels einer Umformung eines Metallblechs zum Ausbilden des Verbindungselementes auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt sein. Die Rippen erstrecken sich jeweils in radialer Richtung zu der Mittelachse des Zahnrads. Insbesondere erstrecken sich die als Rippen ausgebildeten Verstärkungsstrukturen im Ringabschnitt ausgehend von dem zweiten Wandabschnitt und enden in einem mittleren Bereich des Ringabschnittes. Alternativ können sich die Rippen bis zum ersten Wandabschnitt erstrecken. Mittels der als Rippen ausgebildeten Verstärkungsstrukturen im Ringabschnitt kann die Steifigkeit des Verbindungselementes verbessert sein.
Vorzugsweise bilden die als Rippen im Ringabschnitt ausgebildeten Verstärkungsstrukturen jeweils an einer ersten Seite des Ringabschnittes eine axiale konvexe Kontur und an einer von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite des Ringabschnittes eine axial konkave Kontur. Insbesondere ergeben sich die axial konvexen und axial konkaven Konturen in axialer Richtung der Mittelachse des Zahnrads. Die mehreren Verstärkungsstrukturen im Ringabschnitt können gleichmäßig um die Mittelachse des Zahnrads an dem Ringabschnitt und voneinander beabstandet verteilt ausgebildet sein.
Zwischen dem Verbindungselement, insbesondere dem ersten Wandabschnitt, und dem Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes kann ein Haftvermittler angeordnet sein. Ein entsprechender Haftvermittler kann beispielsweise vor dem Umspritzen des äußeren Randes des Verbindungselementes auf die Außenseite und/oder Innenseite des ersten Wandabschnittes aufgebracht werden. Mittels des Haftvermittlers kann ein Stoffschluss zwischen dem Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes und einem Metall des Verbindungselementes realisiert oder verbessert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Hierbei beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche, ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente. Es zeigen:

1 eine perspektivische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen ersten Zahnrads,
2 eine perspektivische und teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen zweiten Zahnrads,
3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des erfindungsgemäßen weiteren Zahnrads gemäß 2,
4 einen Ausschnitt einer geschnittenen Seitenansicht des erfindungsgemäßen weiteren Zahnrads gemäß 2 und 3.
5 eine perspektivische und teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen dritten Zahnrads, und
6 eine perspektivische Seitenansicht eines weiteren Verbindungselementes zum Ausbilden eines erfindungsgemäßen weiteren Zahnrads.

1 zeigt eine perspektivische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen ersten Zahnrads 1. Das Zahnrad 1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als ein Schneckenrad für eine Lenkung eines Fahrzeugs ausgebildet. Des Weiteren ist das Zahnrad 1 bei diesem Ausführungsbeispiel dreiteilig ausgebildet. Das Zahnrad 1 ist aus einem äu-ßeren Zahnkranz 2, einem Verbindungselement 3 und einem Nabenelement 4 gebildet.
Der äußere Zahnkranz 2 weist an seinem Außenumfang mehrere Zähne 5 auf. Für eine bessere Übersichtlichkeit sind nicht sämtliche Zähne 5 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Zähne 5 erstrecken sich bei diesem Ausführungsbeispiel radial zu einer Mittelachse 6 des Zahnrads 1 nach außen. Des Weiteren sind die Zähne 5 bei diesem Ausführungsbeispiel parallel zur axialen Ausrichtung der Mittelachse 6 ausgerichtet. Alternativ können die Zähne 5 beispielsweise schräg zur Mittelachse 6 ausgerichtet sein, wodurch eine Schrägverzahnung realisierbar ist. Der äußere Zahnkranz 2 ist aus einem Kunststoffmaterial gebildet. Hierbei ist der äußere Zahnkranz 2 auf einen hier nicht näher erkennbaren äußeren Rand des Verbindungselementes 3 spritzgegossen.
Das Verbindungselement 3 weist eine mittige Durchgangsöffnung 7 auf. In der Durchgangsöffnung 7 ist das Nabenelement 4 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Nabenelement 4 in die Durchgangsöffnung 7 eingepresst. Somit verbindet das Verbindungselement 3 den äußeren Zahnkranz 2 mit dem Nabenelement 4.
Das Nabenelement 4 weist eine mittige hohlzylindrische Aufnahme 8 auf. Die Aufnahme 8 dient zum Anordnen oder Aufpressen des Zahnrads 1 auf eine hier nicht näher dargestellte Welle mit einem Zylinderabschnitt oder einer zylindrischen Außenfläche. Eine entsprechende Welle kann beispielsweise als eine Ritzelwelle ausgebildet sein.
Die Durchgangsöffnung 7 weist bei diesem Ausführungsbeispiel eine polygone, nämlich sechseckige, Innenkontur 9 auf. In der Innenkontur 9 ist das Nabenelement 4 angeordnet. Hierzu weist das Nabenelement 4 eine zu der Innenkontur 9 korrespondierend ausgebildete polygone, hier nämlich sechseckige, Außenkontur 10 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Ecken der Innenkontur 9 beziehungsweise der Außenkontur 10 abgerundet ausgebildet. Aufgrund des Zusammenwirkens der Innenkontur 9 und der Außenkontur 10 ist eine relative Verlagerung des Nabenelementes 4 in Bezug zum Verbindungselement 3 und in Umfangsrichtung der Außenkontur 10 blockiert. Zugleich ist aufgrund der Pressverbindung zwischen dem Nabenelement 4 und dem Verbindungselement 3 eine relative Verlagerung des Nabenelementes 4 in Bezug zum Verbindungselement 3 und in axialer Richtung zu der Mittelachse 6 des Zahnrads 1 verhindert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl das Verbindungselement 3 als auch das Nabenelement 4 aus einem Metall gebildet. Das Nabenelement 4 ist hier beispielhaft als ein kaltfließgepresstes Bauteil ausgebildet. Das Verbindungselement 3 ist mittels eines umgeformten Metallblechs gebildet.
Das Verbindungselement 3 weist eine geringere Materialstärke als das Nabenelement 4 auf. Des Weiteren weist das Verbindungselement 3 hier nicht näher dargestellte Verstärkungsstrukturen auf, die im Bereich des äußeren Randes des Verbindungselementes 3 angeordnet und von dem Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes 2 umschlossen sind. Der Aufbau der Verstärkungsstrukturen im Bereich des äußeren Randes des Verbindungselementes 3 wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
2 zeigt eine perspektivische und teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen weiteren Zahnrads 11. Der grundsätzliche Aufbau des Zahnrads 11 entspricht im Wesentlichen dem des Zahnrads 1 gemäß 1. Gleiche Merkmale tragen daher die gleichen Bezugszeichen wie zuvor. Insofern wird zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.
Im Unterschied zu dem Zahnrad 1 gemäß 1 weist die Durchgangsöffnung 7 bei diesem Ausführungsbeispiel eine runde Innenkontur 9 auf. Zum Anordnen des Nabenelementes 4 in der runden Innenkontur 9 weist das Nabenelement 4 entsprechend eine zu der Innenkontur 9 korrespondierend ausgebildete runde Außenkontur 10 auf. Des Weiteren weist bei diesem Ausführungsbeispiel das Nabenelement 4 an seinem Außenumfang eine Rändelung 12 auf. Beim Einpressen des Nabenelementes 4 in die Durchgangsöffnung 7 des Verbindungselementes 3 schneidet sich die Rändelung 12 in die Innenkontur 9. Hierdurch ist eine relative Verlagerung des Nabenelementes 4 in Bezug zum Verbindungselement 3 und in Umfangsrichtung der Außenkontur 10 zusätzlich blockiert.
Das Verbindungselement 3 weist einen ersten Wandabschnitt 13 und einen zweiten Wandabschnitt 14 auf. Des Weiteren weist das Verbindungselement 3 einen Ringabschnitt 15 auf, der den ersten Wandabschnitt 13 und den zweiten Wandabschnitt 14 miteinander verbindet. Somit ist der Ringabschnitt 15 zwischen dem ersten Wandabschnitt 13 und dem zweiten Wandabschnitt 14 ausgebildet. Mit anderen Worten ist bei diesem Ausführungsbeispiel das Verbindungselement 3 mittels des ersten Wandabschnitts 13, des zweiten Wandabschnitts 14 und dem Ringabschnitt 15 gebildet. Hierbei erstrecken sich die beiden Wandabschnitte 13, 14 jeweils in axialer Richtung beziehungsweise parallel zu der Mittelachse 6 des Zahnrads 11. Der Ringabschnitt 15 erstreckt sich radial zu der Mittelachse 6 des Zahnrads 1 und zwischen den beiden Wandabschnitten 13, 14. Ausgehend von dem Ringabschnitt 15 erstrecken sich die beiden Wandabschnitte 13 und 14 axial zur Mittelachse 6 in die gleiche Richtung von dem Ringabschnitt 15 weg.
Der erste Wandabschnitt 13 bildet zugleich einen äußeren Rand 16 des Verbindungselementes 3. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Wandabschnitt 13 beziehungsweise der äußere Rand 16 ringartig bzw. polygonartig ausgebildet. Auf dem äußeren Rand 16 des Verbindungselementes 3 ist der äußere Zahnkranz 2 spritzgegossen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Wandabschnitt 13 vollständig in das Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes 2 eingebettet.
Der zweite Wandabschnitt 14 bildet zugleich die Innenkontur 9 des Verbindungselementes 3 zum formschlüssigen Aufnehmen der Außenkontur 10 des Nabenelementes 4.
Der erste Wandabschnitt 13 weist mehrere Verstärkungsstrukturen 17 auf. Die Verstärkungsstrukturen 17 sind hier jeweils als eine Nut 18 ausgebildet. Zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit sind nicht sämtliche Verstärkungsstrukturen 17 und Nuten 18 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Nuten 18 erstrecken sich jeweils in axialer Richtung und parallel zu der Mittelachse 6 des Zahnrads 11. Hierbei weisen die Nuten 18 jeweils einen bogenförmigen, hier beispielhaft halbkreisförmigen, Querschnitt auf. Die Nuten 18 weisen hier jeweils ein offenes Ende 19 und ein geschlossenes Ende 20 auf. Hierbei ist das geschlossene Ende 20 aufgrund eines Überganges des ersten Wandabschnitts 13 in den Ringabschnitt 15 gebildet.
Die Verstärkungsstrukturen 17 sind aufgrund von Materialumformungen des Metallblechs zum Ausbilden des Verbindungselementes 3 ausgebildet. Die Nuten 18 bilden jeweils an einer Außenseite 21 des ersten Wandabschnitts 13 eine radial zur Mittelachse 6 konvexe Kontur und an einer Innenseite 22 des ersten Wandabschnitts 13 radial zur Mittelachse 6 konkave Kontur. Die mehreren Verstärkungsstrukturen 17 beziehungsweise Nuten 18 sind gleichmäßig in Umfangsrichtung um die Mittelachse 6 des Zahnrads 1 an dem ersten Wandabschnitt 13 und voneinander beabstandet verteilt ausgebildet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen den als Nuten 18 ausgebildeten Verstärkungsstrukturen 17 jeweils eine Materialausnehmung 23 in dem ersten Wandabschnitt 13 ausgebildet. Die Materialausnehmung 23 ist beispielsweise mittels einer Ausstanzung oder einer Bohrung realisiert. Hier sind die Materialausnehmungen 23 beispielhaft als runde Löcher ausgebildet. Beim Umspritzen des äußeren Randes 16 des Verbindungselementes 3 durchdringt das Kunststoffmaterial zum Ausbilden des Verbindungselementes 3 die Materialausnehmungen 23. Mittels der Verstärkungsstrukturen 17 und den Materialausnehmungen 23 ist ein Formschluss zwischen dem äußeren Zahnkranz 2 und dem Verbindungselement 3 verbessert. Die Verstärkungsstrukturen 17 führen zudem zu einer verbesserten Steifigkeit des ersten Wandabschnitts 13.
Das Verbindungselement 3 des Zahnrads 1 gemäß 1 weist einen ersten Wandabschnitt 13 gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 auf.
Das Verbindungselement 3 des Zahnrads 11 gemäß 2 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel in dem Ringabschnitt 15 weitere Verstärkungsstrukturen 24 auf. Die weiteren Verstärkungsstrukturen 24 im Ringabschnitt 15 sind jeweils als eine Rippe 25 ausgebildet. Zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit sind nicht sämtliche weiteren Verstärkungsstrukturen 24 beziehungsweise Rippen 25 mit einem Bezugszeichen versehen.
Die weiteren Verstärkungsstrukturen 24 beziehungsweise die Rippen 25 sind mittels Materialumformungen beim Ausbilden des Verbindungselementes 3 hergestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Rippen 25 im Ringabschnitt 15 ausgehend von dem zweiten Wandabschnitt 14, wobei die Rippen 25 in einem mittleren Bereich des Ringabschnittes 15 enden.
Mittels der weiteren Verstärkungsstrukturen 24 beziehungsweise der Rippen 25 ist die Steifigkeit des Ringabschnitts 15 beziehungsweise des Verbindungselementes 3 verbessert.
Das Zahnrad 1 beziehungsweise das Verbindungselement 3 des Zahnrads 1 gemäß 1 kann in einer alternativen Ausbildungsform ebenfalls weitere Verstärkungsstrukturen 24 beziehungsweise Rippen 25 gemäß des Zahnrads 11 nach 2 aufweisen.
3 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht des erfindungsgemäßen weiteren Zahnrads 11 gemäß 2. Hier ist das Zahnrad 11 unmittelbar nach dem Umspritzen des Verbindungselementes 3 mit dem Kunststoffmaterial zum Ausbilden des äußeren Zahnkranzes 2 dargestellt. Das Umspritzen erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel mittels eines Schirmangusses 26. Zur endgültigen Fertigstellung des Zahnrads 11 gemäß 2 wird der Schirmanguss 26 entlang einer schematisch angedeuteten Trennlinie 27 abgetrennt oder abgeschnitten.
Des Weiteren ist hier gut zu erkennen, dass das Verbindungselement 3 in axialer Richtung der Mittelachse 6 gesehen eine schmalere Breite als das Nabenelement 4 aufweist. Die Breite des äußeren Zahnkranzes 2 entspricht im Wesentlichen der Breite des Nabenelementes 4.
4 zeigt einen Ausschnitt einer geschnittenen Seitenansicht des erfindungsgemäßen weiteren Zahnrads 11 gemäß 2 und 3. Die als Rippen 25 im Ringabschnitt 15 ausgebildeten weiteren Verstärkungsstrukturen 24 bilden jeweils an einer ersten Seite 28 des Ringabschnitts 15 eine axial zur Mittelachse 6 des Zahnrads 1 sich erstreckende konvexe Kontur und an einer von der ersten Seite 28 abgewandten zweiten Seite 29 des Ringabschnittes 15 eine axial zur Mittelachse 6 des Zahnrads 11 gerichtete konkave Kontur.
Die beiden Wandabschnitte 13, 14 und der Ringabschnitt 15 bilden einen ringartigen Kanal mit einem Zwischenraum 30. Das Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes 2 erstreckt sich bei diesem Ausführungsbeispiel zum Einbetten des ersten Wandabschnitts 13 in das Kunststoffmaterial teilweise in den Zwischenraum 30. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der zweite Wandabschnitt 14 beziehungsweise eine von dem Nabenelement 4 abgewandte Seite des zweiten Wandabschnitts 14 nicht von dem Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes 2 bedeckt. Somit liegt hier die von dem Nabenelement 4 abgewandte Seite des zweiten Wandabschnitts 14 sowie ein hierzu benachbarter Bereich des Ringabschnittes 15 frei.
5 zeigt eine perspektivische und teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen dritten Zahnrads 31. Gleiche Merkmale tragen daher die gleichen Bezugszeichen wie zuvor. Insofern wird zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.
Im Unterschied zu den Zahnrädern 1, 11 gemäß 1 bis 11 sind die Materialausnehmungen 23 bei dem hier gezeigten Zahnrad 31 nicht zwischen den Nuten 18, sondern in Nutflächen 32 der jeweiligen Nut 18 ausgebildet. Hierbei bildet jeweils eine Nutfläche 32 einen Nutgrund der Nut 18. Die Nutfläche 32 bildet zudem einen sich radial in Bezug zur Mittelachse 6 nach außen erstreckenden Vorsprung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Materialausnehmungen 23 als Langlöcher ausgebildet.
6 zeigt eine perspektivische Seitenansicht eines weiteren Verbindungselementes 3 zum Ausbilden eines hier nicht näher dargestellten erfindungsgemäßen weiteren Zahnrads. Bei dieser Darstellung sind der Zahnkranz 2 und das Nabenelement 4 wegelassen. Gleiche Merkmale tragen daher die gleichen Bezugszeichen wie zuvor. Insofern wird zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.
Das hier dargestellte Verbindungselement 3 entspricht im Wesentlichen dem Verbindungselement 3 gemäß 5. Zusätzlich zu den Materialausnehmungen 23 in den Nutflächen 32 der jeweiligen Nut 18 ist bei diesem Ausführungsbeispiel im Sinne der Zahnräder 1, 11 gemäß 1 bis 4 jeweils eine weitere Materialausnehmung 23 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Nuten 18 ausgebildet. In diesem Fall sind beispielhaft sämtliche Materialausnehmungen 23 als Langlöcher realisiert. Alternativ können die Materialausnehmungen 23 als runde Löcher oder einseitig offene Schlitze ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Zahnrad
2: Zahnkranz
3: Verbindungselement
4: Nabenelement
5: Zahn
6: Mittelachse
7: Durchgangsöffnung
8: Aufnahme
9: Innenkontur
10: Außenkontur
11: Zahnrad
12: Rändelung
13: erster Wandabschnitt
14: zweiter Wandabschnitt
15: Ringabschnitt
16: äußerer Rand
17: Verstärkungsstruktur
18: Nut
19: offenes Ende
20: geschlossenes Ende
21: Außenseite
22: Innenseite
23: Materialausnehmung
24: Verstärkungsstruktur
25: Rippe
26: Schirmanguss
27: Trennlinie
28: erste Seite
29: zweite Seite
30: Zwischenraum
31: Zahnrad
32: Nutfläche

Claims

Zahnrad mit einem dreiteiligen Aufbau aus einem äußeren Zahnkranz (2), einem Verbindungselement (3) und einem inneren Nabenelement (4), wobei der äußere Zahnkranz (2) mehrere Zähne (5) aufweist und aus einem Kunststoffmaterial gebildet sowie an einem äußeren Rand (16) des Verbindungselementes (3) spritzgegossen ist, wobei das Verbindungselement (3) eine mittige Durchgangsöffnung (7) aufweist, und in der Durchgangsöffnung (7) das Nabenelement (4) angeordnet ist, wobei das Nabenelement (4) eine mittige hohlzylindrische Aufnahme (8) zum Anordnen oder Aufpressen des Zahnrads (1, 31) auf eine Welle mit einem Zylinderabschnitt oder einer zylindrischen Außenfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) eine geringere Materialstärke als das Nabenelement (4) hat, wobei das Verbindungselement (3) mehrere Verstärkungsstrukturen (17, 24) aufweist.
Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (17, 24) mittels Materialumformungen des Verbindungselementes (3) ausgebildet sind, insbesondere sind die Verstärkungsstrukturen (17, 24) als einstückige Bestandteile des Verbindungselementes (3) ausgebildet.
Zahnrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) aus einem ersten Wandabschnitt (13), einem zweiten Wandabschnitt (14) und einem Ringabschnitt (15) gebildet ist, wobei der Ringabschnitt (15) den ersten Wandabschnitt (13) und den zweiten Wandabschnitt (14) miteinander verbindet, und die Verstärkungsstrukturen (17, 24) an dem ersten Wandabschnitt (13) und/oder an dem Ringabschnitt (15) ausgebildet sind.
Zahnrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wandabschnitt (13) den äußeren Rand (16) des Verbindungselementes (3) und der zweite Wandabschnitt (14) die Durchgangsöffnung (7) zum Aufnehmen des Nabenelementes (4) bilden, insbesondere erstreckt sich der erste Wandabschnitt (13) und/oder der zweite Wandabschnitt (14) in axialer Richtung und/oder parallel zu einer Mittelachse (6) des Zahnrads (1, 11), vorzugsweise erstreckt sich der Ringabschnitt (15) radial zu der Mittelachse (6) des Zahnrads (1, 11, 31).
Zahnrad nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Wandabschnitt (13) jeweils eine Verstärkungsstruktur (17) als eine Nut (18) ausgebildet ist, wobei sich die Nut (18) in axialer Richtung und/oder parallel zu einer Mittelachse (6) des Zahnrads (1, 11, 31) erstreckt, insbesondere weist die Nut (18) einen bogenförmigen, kreisbogenförmigen oder halbkreisförmigen Querschnitt auf, vorzugsweise springt die als Nut (18) ausgebildete Verstärkungsstruktur (17) vorsprungartig und/oder radial in Bezug zu einer Mittelachse (6) des Zahnrads (1, 11, 31) nach außen vor.
Zahnrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die als Nuten (18) im ersten Wandabschnitt (13) ausgebildeten Verstärkungsstrukturen (17) jeweils ein offenes Ende (19) und ein geschlossenes Ende (20) aufweisen, insbesondere ist das geschlossene Ende (20) aufgrund eines Überganges des ersten Wandabschnittes (13) in den Ringabschnitt (15) gebildet.
Zahnrad nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die als Nuten (18) im ersten Wandabschnitt (13) ausgebildeten Verstärkungsstrukturen (17) jeweils an einer Außenseite (21) des ersten Wandabschnittes (13) eine radial konvexe Kontur und an einer Innenseite (22) des ersten Wandabschnittes (13) eine radial konkave Kontur bilden, insbesondere sind die mehreren Verstärkungsstrukturen (17) im ersten Wandabschnitt (13) gleichmäßig in Umfangsrichtung um eine Mittelachse (6) des Zahnrads (1, 11, 31) an dem ersten Wandabschnitt (13) und voneinander beabstandet verteilt ausgebildet.
Zahnrad nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den als Nuten (18) im ersten Wandabschnitt (13) ausgebildeten Verstärkungsstrukturen (17) und/oder in einer Nutfläche (32) der Nut (18) jeweils eine Materialausnehmung (23) gebildet ist, insbesondere ist die Materialausnehmung (23) mit dem Kunststoffmaterial des äußeren Zahnkranzes (2) ausgefüllt.
Zahnrad nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Ringabschnitt (15) jeweils eine Verstärkungsstruktur (24) als eine Rippe (25) ausgebildet ist, wobei sich die Rippe (25) in radialer Richtung zu einer Mittelachse (6) des Zahnrads (11, 31) erstreckt, insbesondere erstrecken sich die als Rippen (25) ausgebildeten Verstärkungsstrukturen (24) im Ringabschnitt (15) ausgehend von dem zweiten Wandabschnitt (14) und enden in einem mittleren Bereich des Ringabschnittes (15).
Zahnrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die als Rippen (25) im Ringabschnitt (15) ausgebildeten Verstärkungsstrukturen (24) jeweils an einer ersten Seite (28) des Ringabschnittes (15) eine axial konvexe Kontur und an einer von der ersten Seite (28) abgewandten zweiten Seite (29) des Ringabschnittes (15) eine axial konkave Kontur bilden, insbesondere sind die mehreren Verstärkungsstrukturen (24) im Ringabschnitt (15) gleichmäßig um eine Mittelachse (6) des Zahnrads (11, 31) an dem Ringabschnitt (15) und voneinander beanstandet beabstandet verteilt ausgebildet.