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Zahnrad
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Die Erfindung betrifft eine neue Gestaltung von Zahnrädern. Bisher
wurden Präzisionszahnräder überwiegend in spanabhebender Fertigung - Fräsen, Räumen,
Schleifen usw. - aus Metallblöcken hergestellt. Eine präzise Kraftübertragung mit
geringem Verschleiß und mäßiger Wärmeentwicklung erfordert vom Zahnrad eine entsprechend
präzise Ausbildung der Zahnflanken; ein Präzisionszahnrad, das diese Forderungen
erfüllen soll, ist daher in der Herstellung sehr teuer. Gegossene Zahnräder, z.B.
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aus Gußstahl oder Bronze, die nicht spanabhebend nachgearbeitet worden
sind, genügen im Allgemeinen den heutigen Ansprüchen nicht.
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Die am meisten benutzten Zahnräder, die Evolventenzahnräder, lassen
sich vollautomatisch erstellen. Aber selbst in vollautomatischer Fertigung ist ein
Zahnrad sehr teuer, weil die erforderlichen Verzahnungsmaschinen aufwendig sind,
und weil jedes Zahnrad auch in einem Verzahnungsautomaten ein Einzelstück bleibt.
Anspruchsvollere Zahnradprofile wie z.B. in Kreisbogenverzahnungen, die gegenüber
der Evolventenverzahnungen eine bis viermal höhere Ubertragungsfähigkeit und erheblich
günstigere Pressungsverhältnisse aufweisen, lassen sich nur in mehreren Fertigungsgängen
erstellen; wegen der Kosten wird oft auf die Verwendung solcher Zahnradprofile verzichtet.
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Präzise gestaltete Zahnradprofile erzeugen weniger Lärm in den Zahnradgetrieben
als weniger genaue Profile. Die Getriebegeräusche entstehen nämlich hauptsächlich
infolge geometrischer Fehler, insbesondere Flankenformfehler und Teilungsfehler,
welche während des Betriebes Zahneingriffstöße veranlassen.
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Eine häufige Ursache der Lärmerzeugung sind Deformationsfehler, die
nach und nach durch die ständige und meist einseitige Belastung der Zähne zustande
kom-, men. Wegen der hohen Kosten neuer Zahnräder erfolgt der fällige Austausch
der deformierten Zahnräder erst dann, wenn es absolut nicht mehr weiter geht.
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Zum Thema Geräuschdämpfung ist es bekannt, Kunststoffzahnräder zu
verwenden, die mit guter Genauigkeit im Spritzgußverfahren kostengünstig herstellbar
sind (obwohl die Hersteller die verfahrensbedingte Schrumpfung nie ganz in Griff
bekommen). Die Geräuschentwicklung an Kunststoffzahnrädern ist naturgemäß geringer
als an Metallzahnrädern, aber wegen der Statik der einzelnen Zähne sind Kunststoffzahnräder
nur in der Lage, begrenzte Drehmomente zu übertragen, deren Größe von der Statik
der Basis eines einzigen Zahnes abhängt, da die Kraftübertragung in einem Zahnradgetriebe
stets zwischen jeweils nur zwei im Eingriff befindlichen Zähnen erfolgt.
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Bestrebungen, Kunststoffzahnräder mit Metallverstärkungen auszurüsten,
brachten keinen Erfolg, da eine Metallverstärkung in der Zahnbasis die statische
Schwäche des Kunststoffs nicht beseitigt. Der Zahn bricht zwar nicht so leicht ab,
aber bei Belastung wird seine Flanke in kurzer Zeit deformiert. Außer im spanabhebenden
Verfahren und im Gußverfahren werden Zahnräder insbesondere
in der
Uhrenindustrie und in der Spielwarenindustrie aus Blechen ausgestanzt. Die modernen
Feinstanzverfahren (nach DIN 8588 "Fesnschneideverfahren") machen es möglich, bei
dünnen Blechen (etwa l mm) Toleranzen an den Schnittkanten um 50k zu erreichen.
Die Uhrenindustrie schneidet heute ihre Präzisionszahnräder in Feinstanzverfahren
ohne jede Nachbearbeitung. Allerdings sind solche aus dünnen Blechen ausgestanzte
Zahnräder nicht in der Lage, nennenswerte Drehmomente zu übertragen Die vorliegende
Erfindung hat zum Ziel, auf der Grundlage des oben beschriebenen Standes der Technik
ein Zahnrad zu schaffen, das trotz hoher Präzision einfach und kostengünstig ist
und eine automatische Fertigung erlaubt. Weiterhin soll das erfindungsgemäße Zahnrad
imstande sein, ebenso große Drehmomente zu übertragen wie ein vergleichbares herkömmliches
Zahnrad aus gleichem Werkstoff. Schließlich soll das Zahnrad geräuscharm sein.
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Diese Erfindungsziele werden dadurch erreicht, daß mehrere im Feinschneideverfahren
aus Metallblech ausgestanzte: lamellen- oder blattförmige; Zahnradprofile, welche
im Zuge des Ausstanzens je eine Zentralausnehmung sowie eine Anzahl rings um diese
angeordneter Verbindungsausnehmungen erhalten haben, sandwichartig aufeinander aufgestapelt
und mittels etwa parallel zur Achse der Zentralausnehmung verlaufender Verbindungselemente
zu einem einheitlichen Zahnrad beliebiger Stärke zusammengefaßt sind. Als Verbindungselemente
kommen vor allem Nieten in Frage, auch können die blattförmigen Zahnradprofile durch
eine Kunststoffumspritzung etwa in
Outsert-Technik miteinander verbunden
werden. Schließlich kann die Verbindung durch Punktschweißen erfolgen.
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Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, daß das aus einer
Vielzahl dünner Zahnradprofilblätter zusammengesetzte erfindungsgemäße Zahnrad nicht
nur genau so hoch belastbar ist wie ein vergleichbares herkömmliches kompaktes Zahnrad,
sondern daß es im Eingriff mit anderen erfindungsgemäßen Zahnradpaketen merkbar
geräuschärmer läuft, indem der Schall beim Übergang von Zahnradblatt zu Zahnradblatt
erheblich gehemmt wird. Die Schallschwingungen im Zahnradpaket sind inhomogen und
wirken zum Teil gegeneinander. Dieser Vorteil der.. Schalldämpfung, der im Lichte
des heutigen Bestrebens, Lärm am Arbeitsplatz zu bekämpfen, von maßgeblicher Bedeutung
ist, kann im Rahmen der neuen Möglichkeiten, die der besondere Aufbau des erfindungsgemäßen
Zahnrades bietet, weiter ausgebaut werden, indem man zwischen je zwei Metall-Zahnradprofilen
ein Kunststoffblatt oder Kanststoffolie mit dem gleichen Profil einordnet.
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Damit auch bei längsaxialen Verschiebungen stets Metallzähne auf Metallzähnen
auf liegen, wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die blattförmigen
Zahnradeinheiten im Bereich- der Zähne kelchförmig ausgekragt, so daß die Längsachse
eines jeden Zahns einen spitzen Winkel mit der Ebene des übrigen Zahnradblattes
bildet.
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Wie schon vorhin gesagt, wird der in einem Zahnradgetriebe entstehende
Lärm vorrangig in dem Bereich des Zahneingriffes erzeugt und durch die Zahnradkörper
auf die Zahnradwelle, deren Lagerungen und den Unterbau übertragen, die als Resonanzboden
wirken und den Lärm entsprechend
verstärkenw Um den Lärm zu mindern,
gi es, die durchgehende Metallberührung zu unterbrechen und schalldämmende Zwischenlagen,
z.B.aus Kunststoff, zwischen dem Lärmerzeugungsbereich und dem von den übrigen MaschineneSealenten
gebildeten Resonanzbereich einzuschalten.
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Auch hier bietet der besondere Schichtaufbau des erfindungsgemäßen
Zahnrades konstruktive Möglichkeiten, die bisher nicht denkbar waren. Beispielesweise
kann unmittelbar auf die Zahnradwelle eine Kraftübertragungshülse aufgesteckt sein,
welche einen unrunden, etwa in der Hauptsache viereckigen Querschnitt aufweist und
in den Hohlraum einer mit einem entsprechend gestalteten Innenquerschnitt und einem
ähnlichen, aber größeren Außenquerschnitt versehenen, an der einen oder an beiden
Seiten eines Kunststoff-Zahnradblattes ausgebildeten Zentralhülse hineinpaßt. Die
Metall-Zahnradblätter weisen je eine Zentralausnehmung auf, die mit geringer Toleranz
auf die Hülse des Kunststoff-Zahnradblattes aufsteckbar ist. Das Zahnradpaket besteht
folglich aus einer Anzahl Metall-Zahnradblätter, die auf die Hülsen von einem oder
mehreren Kunststoff-Zahnradblättern aufgesteckt sind; die Drehbewegung der Zahnradwelle
wird auf die Metall-Kraftübertragungshülse übertragen, die sie an die Kunststoffhülsen
der Kunststoff-Zahnradblätter weitergibt. Die Zahnradblätter sind durch Nieten fest
miteinander verbunden. Eine Metallberührung zwischen dem Lärmerzeugungsberei-ch
und den übrigen Maschinenbereichen ist ausgeschlossen.
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Eine ähnlich konsequente Trennung kann dadurch erzielt werden, daß
das Zahnradpaket aus Metall-Zahnradblättern mit der soeben beschriebenen unrunden
Zentralausnehmung sowie mit einer Reihe rund um diese angeordneter weiterer
Ausnehmungen,
und aus zwischen je zwei dieser Metall-Zahnradblätter angeordneten schmalen ringförmigen
Kunststoff-Zahnradb lättern zusammengesetzt ist, wobei die in diesem Gebilde entstandenen
Hohlräume bis auf den Umfang der vorhin beschriebenen zentralen Metall-Kraftübertragungshülse
mit Kunststoffmasse ausgefüllt sind.
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Im Gegensatz zu bekannten Bestrebungen, Kunststoffzahnräder mit Metalleinlagen
zu verstärken, sind die mit Kunststoffzwischenlagen versehenen erfindungsgemässen
MahAradpakete vorrangig Metallzahnräder, an welchen die metallischen Verzahnungsteile
die Metallverstärkung bilden. Die Statik der lärmarmen Zahnräder gemäß der Erfindung
ist daher mit der Statik eines vergleichbaren massiven Metallzahnrad vergleichbar,
zumal die Breite des erfindungsgemäßen Zahnradpakets von Fall zu Fall den zu übertragenden
Kräften entsprechend festgesetzt werden kann, und die Herstellungskosten eines breiteren
Zahnrades nur unwesentlich höher sind als ein schmäleres.
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In bezug auf Kunststoff als Werkstoff für Maschinenelemente soll daran
erinnert werden, daß alle Kunststoffe bei Temperaturen über 800 - 1200 (je nach
Kunststoffart) anfangen zu plastifizieren. Selbst hochwertige Kunststoffe, wie z.B.
Polyamid und Polyoxymethylen, die längst ihren festen Platz in der Technologie des
Maschinenbaues besitzen, können nur dort verwendet werden, wo die Arbeitstemperaturen
die genannten Grenzen nicht übersteigen. Die in den technischen Tabellen angegebenen
"Erweichungsgrenzen" (PA 1450, POM 1710) sind insoweit irreführend.
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Mit den Mitteln der Erfindung ist in überraschend einfacher Weise
die Erstellung von Schräg- und Pfeilzahnrädern u.ä.
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jedes Profils möglich. Zu diesem Zweck braucht man nur die auf einem
Kreis rund um die Zentralausnehmung der Zahnradblätter angeordneten Nietbohrungen
Zahnradblatt für Zahnradblatt jeweils um eine geringe Strecke im Verhältnis zu den
Zahnprofilen zu verschieben. Beim Stapeln der Zahnradblätter zu einem Zahnradpaket
ergibt sich dann zwangsläufig ein Schrägzahnrad. In gleicher Weise können Pfeilzahnräder,
Schraubenzahnräder usw. hoher Präzision kostengünstig erstellt werden.
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Anhand der Figuren wird in der Folge einige Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt und erläutert.
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Es zeigen Figur l eine aus einer Blechplatte aus gestanzte blattförmige
Zahnradeinheit in einer Draufsicht, Figur 2 ein aus aufeinandergestapelten blattförmigen
Zahnradblättern Fig. 1 zusammengesetztes Zahnradpaket, in einem Schnitt X - X gesehen
und mit Nieten zusammengehalten, Figur 3 ein aus aufeinandergestapelten blattförmigen
Zahnradblättern zusammengesetztes Zahnradpaket in einem Schnitt X - X, wie Fig.
2, wobei jedoch zwischen je zwei Metall-Zahnradblättern je ein dünneres Zahnradblatt
aus Kunststoff angeordnet ist,
Figur 4 ein aus aufeinandergestapelten
Zahnradblättern zusammengesetztes und auf eine Welle aufgestecktes Zahnradpaket
in einem Schnitt X --X, wie Fig. 2, jedoch mittels Kuns ts toffül lungen größeren
Querschnitts zusammengehalten, Figur 5 eine Vorrichtung zum zentrierten Aufbau eines
Zahnradpakets aus einer Vielzahl von blattförmigen Zahnradblättern, welche an Nietleitnadeln
zentriert werden, auf die Hohlnieten aufgesteckt sind, schematisch und in einer
Seitenansicht; die mit Strichlinien angedeuteten Umrisse zeigen oben eine Nietenpresse
und unten einen für ein Punktschweißen bestimmten Zentrierblock an (beim Punktschweißen
entfallen die Nietleitnadeln), Figur 6 die Vorrichtung Fig. 5 in einer Draufsicht,
(ist die Vorrichtung für das Punktschweißen der Zahnradblätter gedacht, entfallen
die Nietleitnadeln), Figur 7 ein im Verzahnungsbereich kelchförmig gestaltetes Zahnradblatt
in einer Seitenansicht, Figur 8 ein aus kelchförmigen Zahnradblättern Figur 7 bestehendes
und auf eine Welle aufgestecktes Zahnradpaket, das abwechselnd aus Metall-Zahnradblättern
und Kunststoff-
Zahnradblättern zusammengesetzt und an welchem
ein entgegengesetzt eingreifendes Zahnradpaket Fig. 9, gestrichelt angedeutet ist,
Figur 9 ein dem Zahnradpaket Fig. 8 zugeordnetes Gegenzahnradpaket, an welchem der
Eingriff des Zahnradpakets Fig. 8 gestrichelt angedeutet ist, Figur 10 ein Zahnradblatt
aus Metall, mit einer besonderen, in der Hauptsache viereckig ausgebildeten Zentralausnehmung,
in einer Draufsicht, Figur 11 ein Zahnradblatt aus Kunststoff, an welchem beidseitig
eine Zentralhülse ausgebildet ist, deren Außenquerschnitt dem Querschnitt der auf
Fig. 10 dargestellten Zentralausnehmung entspricht und eine gleich gestaltete, aber
kleinere Ausnehmung aufweist, Figur 12 links im Bild zwei Metall-Zahnradblätter
Fig. 10, in der Mitte ein Kunststoff-Zahnradpaket Fig. 11, danach eine Befestigungshülse
aus Metall und schließlich die Zahnradwelle, alles in einer Seitenansicht, Figur
13 die Metall-Befestigungshülse Fig. 11 in einer Frontansicht,
Figur
14 die auf Figur 12 dargestellten Einzelelemente, zu einem Zahnradpaket zusammengesteckt
und vernietet, in einem Schnitt X - X der Fig. 13-und 14, Figur 15 ein Zahnradblatt
aus Metall, mit einer in der Hauptsache viereckigen Zentralausnehmung und mit mehreren
um diese herum angeordneten kreisrunden Ausnehmungen, in einer Draufsicht, Figur
16 ein ringförmiges Zahnradblatt aus Kunststoff in einer Draufsicht, Figur 17 die
Zahnradblätter Fig. 15 und 16, wechselweise auf eine Zahnradwelle derart aufgesteckt,
daß die beiden äußeren Blätter Metallblätter sind, wonach die Ausnehmungen bis auf
den auf Fig. 15 gestrichelt angedeuteten Umfang mit Kunststoff aufgefüllt sind,
in einem Schnitt Y (oben) bzw. in einem Schnitt Z (unten), Figur 18 ein Werkzeug
zur Zentrierung des Zahnradpakets Fig. 17 und Einfüllung des den Zahnradblättern
Figuren 15 und 16 verbindenden Kunststoff (der Druckkopf mit den Extruderdüsen ist
oben gestrichelt angedeutet) in einer Seitenansicht und teilweise im Schnitt, Figur
19 das Werkzeug Fig. 18 in einer Draufsicht, wobei die kreisförmigen Ausnehmungen
am
Bodenteil der Ausbildung von Halteköpfen -dienen, welche seitlich
über die Ausnehmungen Fig. 15 herausragen, Figur 20 ein Paket aufeinandergestapelter
Zahnradblätter, bei welchem die Nietbohrungen von Blatt zu Blatt um einen vorgegebenen
geringen Wert gegenüber den Zähnen verschoben sind, und die Zähne des Zahnradpakets
daher entsprechend schräggestellt erscheinen, in einer Draufsicht (Teilansicht),
Figur 21 eine Abwicklung des halben Umfanges des Zahnradpakets Fig. 20, in einer
Draufsicht und Figur 22 einen Ausschnitt der Fig. 21 (vergrößert), die von den gegenüber
einander verschobenen Zähnen der einzelnen Zahnradblätter gebildeten Stufen zeigend.
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Die auf den Figuren aufgeführten Bezugsziffern zeigen an 1 ein ausgestanztes
Zahnradblatt aus Stahl l' ein gleiches Zahnradblatt aus Kunststoff 101 ein aus Stahlblech
ausgestanztes Zahnradblatt wie Fig.1, jedoch mit kelchförmig ausgebogenen Zähnen
(Fig.7)
101' ein Kunststoff-Zahnradblatt, wie 101 gestaltet, 102
ein Zahnradblatt aus Stahl, mit einer besonderen Zentralausnehmung (Fig. 10) 102'
ein Kunststoffzahnradblatt, an dessen Flanken eine hülsenförmige Nabe ausgebildet
ist (Fig.11) 103 ein Zahnradblatt aus Stahl, wie 102, jedoch mit größeren Rundum-Ausnehmungen
103' ein ringförmiges Zahnradblatt aus Kunststoff 2 Zähne eines Zahnradblattes 1>1',101,101'
u.s.w.
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3 Zahnflankenprofil, gleich fertig ausgestanzt 4 die Zentralbohrung
(Zentralausnehmung) eines Zahnradblattes 1 , 1' 5 Nietbohrungen am Zahnradblatt
1,1',101,101',102,102' 6 Ausnehmungen am Zahnradblatt 1,1',103,103' 7 Paßfedernuten
an der Zentralbohrung 4 8 Nieten zum Zusammenhalten des Zahnradpakets 9 Zahnradwelle
10 Paßfeder zwischen Zahnradpaket und Zahnradwelle 11 Bund (Nabe) 12 Kunststoffeinfüllung
13 Haltekragen an der Kunststoffeinfüllung 14 Zentrierdorn der Vernietungs- bzw.
Punktschweißvorrichtung (Fig.5) bzw.Gußformdorn (Fig. 18) 15 Nietleitdorne der Vernietungsvorrichtung
16 tellerförmige Ausnehmungen in der Grundplatte der Vernietungsvorrichtung, zur
Aufnahme der Nietköpfe
17 Grundplatte der Vernietungs- bzw. Punktschweißvorrichtung
18 Preßlufthammer bzw. Schweißkopf 19 Hammerköpfe bzw. Schweißelektroden 20 Zentrierblock
2l Zentralausnehmung (Befestigungsausnehmung) des Zahnradblatts 102 (Fig. 10) 22
Zentralhülse (Befestigungshülse) des Zahnradblattes 102' (Fig. 11) 23 Ausnehmung
der Befestigungshülse 22 24 Befestigungsbuchse aus Stahl 25 Zentralbohrung der Stahlbuchse
24 26,27 kreisförmig um die Zentralausnehmung 21 des Zahnradblattes 103 angeordnete
Ausnehmungen 28 Grundplatte des Spritzwerkzeugs Fig. 18 und 19 29,30 tellerförmige
Ausnehmungen in der Grundplatte 28 31 Entlüftungsbohrungen in der Grundplatte 28
32 Extruderteil des Spritzwerkzeugs Fig. 18 33,34 matrizenähnliche Ausnehmungen
im Extruderteil 32 35,36 Extruderdüsen im ExtruderEeil 32 Das Zahnradblatt l (Fig.
1) weist eine Anzahl von Zähnen 2, eine mit Paßfedernuten 3 versehene Zentralbohrung
4, sechs Nietbohrungen 5 und sechs Ausnehmungen 6 zur Gewichtsverminderung auf.
Die Zähne, die Zentralbohrung
mit Paßfedernuten 7, die Nietbohrungen
und die Ausnehmungen zur Gewichtsverminderung sind sämtlich in einem Feinstanzverfahren
aus einem Stahlblech ausgestanzt worden. Stahlbleche von 1 mm Stärke können bei
Toleranzen um 50>* und sogar darunter ausgestanzt werden, bei größeren Toleranzen
bis etwa 4 mm Blechstärke, das allerdings ein häufigeres Auswechseln des Schneidwerkzeugs
voraussetzt. In gleicher Weise können auch Zahnradblätter aus anderen Werkstoffen
gefertigt werden, z.B. aus Aluminiumblech, aus Bronze usw.
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Auf Figur 2 ist im Schnitt X - X der Figur 1 ein Stapel von Zahnradblättern
l dargestellt, der mittels Nieten 8 zusammengehalten wird und in der Gesamtheit
ein Zahnrad hoher Belastbarkeit bildet. Die dazu gehörende Zahnradwelle 9 mit Paßfedern
10 und Bunden 11 ist auf Figur 2 gestrichelt angedeutet.
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Wie schon vorhin gesagt, ist das aus einer Vielzahl dünner Zahnradblätter
l gebildete Zahnradpaket im Getriebe merkbar leiser als ein herkömmliches massives
Zahnrad. Die Schalldämmung kommt, wie ebenfalls bereits gesagt, im Wesentlichen
an den Anlageflächen der Zahnradblätter aneinander zustande. Um diese Schalldämmwirkung
zu vergrößern, kann man zwischen den Zahnradblättern l aus Stahl identisch ausgebildete
Kunststoffblätter 1' einbetten, die entweder aus Kunststoffplatten aus gestanzt
oder im Spritzgußverfahren erstellt sind. Es ist kein großes Unglück, wenn die Profile
der Kunststoffblätter nicht ganz so präzise verarbeitet sind wie die Profile der
Stahlblätter, denn sie werden im Getriebe sehr schnell angepaßt. Jedoch muß darauf
geachtet werden, daß die Stahl-Zahnradblätter 1 mindestens zweimal so dick sind
wie die Kunststoffblätter l
damit stets Metall auf Metall anliegt
und die Stahlblätter nicht in die Kunststoffblätter hineinschneiden können (in nachfolgenden
Ausführungsbeispielen ist diese Regel allerdings nicht zwingend).
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Eine noch bessere Schalldämmung erreicht man mit der auf Figur 4 ebenfalls
im Schnitt dargestellten Einrichtung, allerdings auf Kosten der Statik und Temperaturabhängigkeit.
Hier sind die Nietbohrungen 5 der Zahnradblätter 1 durch größere Bohrungen (etwa
wie die Ausnehmungen 6 auf Fig. l) ersetzt und die axialen Verbindungen der Zahnradblätter
untereinander durch eine Kunststoff-Einfüllung 12 (Umspritzung z.B. in Outsert-Technik)
zustandegebracht. Im Zuge der Kunststoffeinfüllung 12 werden Haltekragen 13 aus
Kunststoff ausgebildet, welche etwa die Funktion von Nietköpfen übernehmen.
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Figur 5 zeigt eine Vorrichtung zum Vernieten der Zahnradpakete. In
der Mitte der Vorrichtung steht ein der Zentralbohrung 4 der Zahnradblätter l, 1'
entsprechender Zentrierdorn l4 umgeben von einem Kranz von Nieidornen 15. Vor dem
Aufstecken der Zahnradblätter 1, 2lauf den Zentrierdorn 14 und die Nietdorne 15
sind auf die Nietdorne Hohlnieten 8 aufgesetzt, deren Nietköpfe von je einer Ausnehmung
16 in der Grundplatte 17 der Vorrichtung aufgenommen werden, vgl. den linlcen Nietdorn
der Figur 5. Oben im Bild ist ein mehrköpfiger Preßlufthammer 18 gestrichelt angedeutet,
dessen einzelne Hammerköpfe 19 entsprechend der Anordnung der Hohlnieten 8 verteilt
sind.
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Das zu vernietende Zahnradpaket wird nun auf die Dorne 14,15 aufgesteckt,
der Preßlufthammer 18 auf das Zahnradpaket heruntergeführt und das Zahnradpaket
vernietet.
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Mittels einer im Prinzip gleichen Vorrichtung können die Zahnradblätter
l eines Zahnradpakets miteinander punktverschweißt werden. Bei diesem Vorgang fallen
die Nietdorne 14 und die Ausnehmungen 16 weg; die Zentrierung der Zahnradblätter
wird von dem Zentrierdorn 14 und einem Zentrierblock 20 gewährleistet (der Zentrierblock
20 ist rechts auf den Figuren 5 und 6 gestrichelt angedeutet). Der gestrichelte
Umriß 18 (vorher einen Preßlufthammer andeutend) stellt in dieser Version einen
Elektroschweißkopf und die Umrisse 19 die dazugehörigen Elektroden dar.
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Eine besonders interessante Ausfiil1rungsform der: F;rfindung ist
auf den Figuren 7,8 und 9 dal:estellt. Die Effektivität zwischengelagerter Kunststoff-Zahnradblätter
als Lärmdämpfer wächst naturgemäß mit deren Stärke.
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Verlaufen die Zahnradblätter aber in Ebenen parallel zueinander, besteht
die Gefahr, daß die Stahlzahnradblätter l bei Axialverschiebungen in die Kunststoffzahnradblätter
1'hineinschneiden und die Eingriffsflächen aufreiben. Wie bereits vorhin gesagt,
muß die Stärke der Stahlzahnradblätter daher normalerweise mindestens zweimal so
groß sein wie diejenige der Kunststoffzahnradblätter 1: Diese Notwendigkeit kann
dadurch umgangen werden, daß jedes einzelne Zahnradblatt 101, 101'kelchförmig ausgebildet
ist, indem die Ebenender Zähne einen spitzen Winkel mit der Ebene des übrigen Zahnradblattes
bilden, vgl. Figur 7. Die Zähne zweier gegenläufig gestapelten Zahnradpakete werden
nun derart ineinander eingreifen, daß die Zähne sich kreuzen, d.h. Stahlzähne werden
ohne Rücksicht auf Axialverschiebungen stets auf Stahlzähnen aufliegen, vgl. Figuren
8 und 9.
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Auf Figuren 10 bis 14 wird gezeigt, wie man mit den Mitteln der Erfindung
den Lärmerzeugungsbereich (Zahneingriffsbereich) eines Zahnradgetriebes von dem
Resonanzbereich (Zahnradwelle, Lager, Unterbau) soweit schalldämmtechnisch trennen
kann, daß Metallelemente des Zahneingriffsbereichs keine Metallberührung mit dem
Resonanzbereich aufweist. Dabei kann der Zahneingriffsbereich nach Wunsch ganz oder
teilweise aus Metall bestehen.
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Figur 10 zeigt in einer Draufsicht ein aus Stahlblech ausgestanztes
Zahnradblatt 102, das in der Mitte eine unrunde, etwa viereckähnliche Befestigungsausnehmung
21 und in einem Kreis um diese angeordnet sechs Nietbohrungen 5 aufweist.
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Figur 11 stellt ein entsprechendes, jedoch im Spritzgießverfahren
hergestelltes Zahnradblatt 102'aus Kunststoff dar, an dessen Flanken eine beiderseits
herausragende Befestigungshülse 22 ausgebildet ist, deren Außenquerschnitt der gleiche
ist wie der Innenquerschnitt der Befestigungsausnehmung 21 (Fig. 10). Die Befestigungshülse
22 besitzt eine durchgehende Ausnehmung 23, deren Querschnitt demjenigen der Ausnehmung
21 ähnelt, jedoch kleiner ist.
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Auf Figur 12 sind ganz links zwei Stahlzahnradblätter 102 (Fig. lO)
in einer Seitenansicht gezeigt. Mitte links folgt ein Kunststoffzahnrad 102' (Fig.
all), ebenfalls in einer Seitenansicht, danach eine Befestigungsbuchse 24 aus Stahl,
deren Querschnitt in die Ausnehmung 23 der Befestigungshülse 22 hineinpaßt. Die
Frontansicht der Befestigungsbuchse 24 ist auf Figur 13 dargestellt; die Befestigungsbuchse
24 weist eine dem
Querschnitt der Zahnradwelle 9 entsprechende
Zentralbohrung 25 mit Paßfedernuten 7 auf.
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Das Zahnradpaket Fig.14 wird wie folgt zusammengefügt: zuerst werden
zwei Stahl-Zahnradblätter 102 (Fig.10) auf den Zentraldorn 14 sowie auf die Nietleitdorne
15 der Vorrichtung Figuren 5 und 6 aufgesteckt, dann folgt ein Kunststoff-Zahnradblatt
102' (Fig.11), danach vier weitere Stahl-Zahnradblätter 102, dann ein Kunststoff-Zahnradblatt
102' - u.s.w. Wenn lediglich an der einen Seite des Kunststoff-Zahnradblattes 102'
eine Hülse 22 ausgebildet ist, kann die Sequenz Stahlzahnradblatt-Kunststoffzahnradblatt
1 zu 2 oder - bei entsprechend kürzerer Hülse 22 - 1 zu 1 betragen. Die Trennung
der Metallelemente des Zahnradpakets von den Metallelementen der Welle und der Lagerung
ist vollständig. Die Lärmdämmung an dem Getriebe ist optimal.
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Die besondere Befestigungsbuchse 24 kann dann entfallen, wenn die
Welle 9 ein für die Kraftübertragung geeignetes unrundes Querschnitt aufweist, was
allerdings kostspielig ist und eine allgemeine Verwendung der lärmdämmenden Einrichtung
ausschließt.
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Die auf Figuren 10 bis 14 gezeigte Variante der Erfindung kann vorteilhaft
mit der Ausführungsform Fig.4 kombiniert werden, wie aus den Figuren 15 bis 17 ersichtlich.
Das Zahnradblatt 103 (Fig.15) ist aus Stahlblech ausgestanzt und weist eine unrunde,
etwa viereckähnliche Zentralausnehmung 21 auf, die derjenigen des Zahnradblattes
102 (Fig.10) entspricht, ferner anstelle der Nietbohrungen 5 acht größere Ausnehmungen
27,27; die Ausnehmungen 26 sind größer als die Ausnehmungen 27, damit die längliche
Gestalt der Zentralausnehmung 21 gewichtsmäßig ausgeglichen wird.
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Fig.16 zeigt ein ringförmiges Kunststoff-Zahnradblatt 103'.
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Auf den Zentrierdorn 14 eines Spritzwerkzeugs Fig.18 und 19 wird erst
ein Stahlblatt 103, dann ein Kunststoffring 103',
(Fig. 16), danach
ein Stahl-Zahnradblatt103 usw. bis zu der gewünschten Zahnradstärke wechselweise
aufgesteckt. Die Zentrierung der Zahnradblätter 103, 103' erfolgt durch einen Gußformdorn
14 sowie durch drei Zentrierblöcke 20. Wie auf Figur 19 ersichtlich, befinden sich
in der Grundplatte 28 des Spritzwerkzeugs tellerförmige Ausnehmungen 29,30, deren
Querschnitt um einige mm größer sind als die zugeordneten Ausnehmungen 26,27 der
Stahl-Zahnradblätter Figur 10.
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Von den tellerförmigen Ausnehmungen 29,30 führen Entlüftungsbohrungen
31 ins Freie.
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Das über das Spritzwerkzeug Figur 18 gestrichelt angedeutete Werkzeugteil
32 enthält acht nach unten hin ausgerichtete matrizenähnliche, den tellerförmigen
Ausnehmungen 29,30 der Grundplatte 28 entsprechende Ausnehmungen 33,34; mit den
größeren Ausnehmungen 33 sind Extruderdüsen 35,36 über entsprechende Angußbohrungen
verbunden.
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Das auf Figur 17 gezeigte kunststoffumspritzte Zahnradpaket wird dadurch
erstellt, daß der Extruderkopf 32 auf das Zahnradpaket aufgedrückt und glasfaserverstärkter
Kunststoff (hochmolekulares Polyamid, Polyoxymethylen o.ä.) in die Ausnehmungen
26,27 eingedrückt wird, bis alle Hohlräume ausgefüllt sind. Die ringförmigen Kunststoff-Zahnradblätter
103' dienen dabei als Abstandhalter und Abschlüsse nach außen hin.
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Das Ergebnis ist ein vollintegriertes Stahl-Kunststoffzahnrad, dessen
Stahlanteil beliebig ansetzbar ist, und bei dem der Lärmerzeugungsbereich keine
metallische Verbindung zum Resonanzbereich aufweist. Trotzdem weist das Zahnrad
bei mäßigen Temperaturen (bis etwa 1200) eine
einem vergleichbaren
Massivzahnrad gleichwertige Statik auf.
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Die auf den Figuren 5,6, 18 und 19 dargestellten Vorrichtungen zum
Zusammenbau der Zahnradpakete sind rein schematisch und gehören nicht zur Erfindung.
Sie sind lediglich deswegen beschrieben worden, um die Einfachheit des Aufbaues
eines erfindungsgemäßen Zahnrads und die Möglichkeit einer kostengünstigen automatischen
Serienfertigung zu demonstrieren. Sie zeigen eindeutig die wirtschaftlichen Vorteile
der Erfindung, insbesondere bei der Erstellung von lärmarmen Zahnrädern.
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Ein nach der Lehre der Erfindung erstelltes Zahnrad kann nicht nur
die schwierigsten Zahnflankenkonturen, sondern auch komplizierte Zahnradformen (Schrägverzahnungen,
Pfeilverzahnungen, Schraubenverzahnungen, Kegelverzahnungen usw.) aufweisen. Die
Herstellungsweise bleibt dabei dieselbe. Figuren 20, 21 und 22 zeigen als Beispiel
ein Schrägzahnrad, das aus Zahnradblättern 1 (Figur l) zusammengesetzt ist, indem
die kreisförmig um die Zentralbohrung 4 angeordneten Nietbohrungen 5 von Zahnradblatt
zu Zahnradblatt um ein kurzes Stück auf den von ihren Mittelpunkten gebildeten Kreis
verschoben sind. Aufgesteckt auf Zentrierdorn 14 und Nietdorne 15 der Vorrichtung
Figur 5 und 6 bilden diese Zahnradblätter ganz von selbst das Schrägzahnrad Figur
20. Figur 21 stellt eine Abwicklung des Zahnradumfanges dar. Wenn das Zahnradpaket
Figur 20 aus dünnen Zahnradblättern zusammengesetzt ist, braucht man die von den
Zähnen gebildeten Zickzackstruktur nicht zu ändern; im Übrigen kann man bei dünnen
Blechen auch Flankenschrägen bis etwa 300 präzise schneiden, wobei ein
gleichzeitiger
Schrägschnitt der Ausnehmungen 4,5 für die Genauigkeit ohne Belang ist. Ergeben
sich keine Axialverschiebungen im Getriebe, spielen die Zickzackkonturen auch bei
stärkeren Zahnradblättern keine Rolle.
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Auf Figur 22 ist ein Ausschnitt eines Zahnradumfanges gezeigt, auf
welchem zwischen stärkeren Zahnradblättern l aus Stahl dünnere Kunststoff-Zahnradblätter
1' alternierend zwischengeschaltet sind. In dieser Weise ist es möglich, auch bei
Axialverschiebungen im Getriebe ein sicheres Eingreifen der Zähne ineinander zu
gewährleisten, ohne daß die Zähne schräg aus gestanzt oder nachträglich abgeschliffen
werden müßten.
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Bei komplizierteren Zahnradformen, wie z.B. bei Schraubenzahnrädern,
ist es empfehlenswert, die Zahnradblätter aus dünnem Blech herauszustanzen und an
den Außenseiten des Zahnradpakets je ein Zahnradblatt aus dickem Blech anzubringen.
In dieser Weise können die an den Zahnflanken entstehenden Stufen bei gleichbleibender
Statik beliebig klein gehalten werden. Sollen diese Stufen etwa aus Präzisionsgründen
abgeschliffen und ausgeglichen werden, erfolgt das in einfacher Weise an einer dazu
gerichteten Verzahnungsmaschine.
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Es ist selbstverständlich denkbar, ein fertig vernietetes oder verschweißtes
Paket von Blechblättern, zwischen welchen Kunststoffolien oder Kunststoffblätter
eingeordnet sind, als Einheit in herkömmlicher Weise an einer Verzahnungsmaschine
mit Zahnprofilen zu versehen, um ein lärmarmes Zahnrad zu erstellen. Da die Blätter
eines
solchen Pakets vorher schon ausgestanzt-werden müssen, wird
man logischerweise auch die Ausnehmungen (Zentralbohrung und Nietbohrungen) sowie
- schon aus Kostengründen - die Zahnprofile im Stanzverfahren roh fertigen, die
dann an der Verzahnungsmaschine lediglich nachgearbeitet werden müssen. Ein solches
Verfahren wird jedoch nur dann interessant sein, wenn man kleine Serien herstellen
will und die Kosten für Präzisionsstanzwerkzeuge scheut.
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Ob nun die Zahnprofile vorher schon roh ausgestanzt sind oder nicht,
ist es bei der Verwendung von Verzahnungsmaschinen u.ä. spanabhebenden Werkzeugen
an Zahnradpaketen unerläßlich, das Zahnradpaket zwischen starken Haltescheiben einzuspannen,
damit die äußeren Zahnradblätter nicht im Zuge der spanabhebenden Bearbeitung ausfransen.
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10 Ansprüche