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Zahnrad mit Zahnkranz aus Kunststoff
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Die Erfindung betrifft ein Zahnrad aus einem Verbund von Werkstoffen,
und zwar ein Zahnrad mit einem Radkörper und einer Nabe aus Metall sowie einem Zahnkranz
aus Kunststoff.
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Zweck der Erfindung ist, bei Zahnrädern mit einem Radkörper aus Metall
den Zahnkranz aus Kunststoff mit dem Rakörper auf einfache Weise stabil zu verbinden,
und die Vorteile, die ein Zahnkranz aus Kunststoff einerseits und ein Radkörper
aus Metall andererseits haben, miteinander zu vereinigen.
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Neben den weitverbreiteten Zahnrädern, die aus einem Stück und aus
Metall bestehen, sind seit langem mehrteilige Zahnräder aus Metall bekannt. Die
nicht lösbare Verbindung eines Zahnkranzes aus einem verschleißfesten Metall mit
einem Radkörper aus einem anderen Metall ist beispielsweise in der DE-OS 30 01 782
angegeben.
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Ein Zahnkranz aus Metall, der aus mehreren lösbar miteinander verbundenen
Segmenten eines Kreisringes besteht, die an einen Radkörper angeschraubt werden,
wird in der DE-OS 21 57 328 beschrieben. Ein Zahnkranz aus mehreren Kreissegmenten
aus Metall, die auf einen Radkörper aufgeschweißt werden, ist in den-DE-OSS 27 40
949 und 28 38 165 dargestellt. In der DE-OS 25 24 889 wird ein Getriebeelement beschrieben,
das aus einem mit Zähnen versehenen nicht selbsttragenden Teil und einem Zahnträger
besteht. Der Zahnstreifen wird aus Metall gepreßt; er kann auf einem geraden Träger
angeordnet werden, um eine Zahnstange zu bilden, oder er wird auf einen zylindrischen
Träger aufgebracht, um eine gezahnte Scheibe zu bilden.
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Für Zahnräder aus Metall, bei denen im Zahnbereich ein Kunststoff
mitverwendet wird, der mit dem Metall unlösbar verbunden ist, sind verschiedene
Konstruktionen bekannt. Gemäß DE-AS 18 03 772 können Kunststoffzähne auf am Radkörper
aus Metall befindliche Zahnkerne aufgeformt werden. Nach der DE-OS 25 07 207 kann
der Zahnkranz aus einer Kunststoff-Zahnstange hergestellt werden, die auf einen
Radkörper aus Metall oder Kunststoff aufgeklebt wird, die Zahnflanken werden von
in den Kunststoff eingegossenen Metallprofileinlagen gebildet.
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In der DE-AS 19 50 374 wird ein innenverzahntes Kunststoff-Zahnrad
mit einem eingegossenen Metallring angegeben. Kunststoff-Zahnräder, bei denen der
Radkörper aus einem anderen Kunststoff als der Zahnkranz besteht, werden in den
Patentschriften GB-13 70 427 und GB-14 04 841 beschrieben; der Zahnkranz wird mit
dem Radkörper praktisch unlösbar verbunden.
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Schl;ießlich sind im Spritzgießverfahren hergestellte einstückige
Zahnräder bekannt, die vollständig aus einem Kunststoff bestehen.
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Die bereits bekannten Konstruktionen sind, soweit sie ausnahmslos
Metall verwenden, für Zahnräder mit großem Durchmesser und große Beanspruchung geeignet.
Die Art der Verbindung der Teile eines mehrteiligen Zahnrades aus Metall läßt sich
jedoch nicht auf die Verbindung von Metall mit Kunststoff übertragen. Die Konstruktionen,
bei denen Metall und Kunststoff verwendet-werden, sind für geringe bis mittelgroße
Beanspruchung oder nur gelegentlichen Gebrauch geeignet. Sofern diese Zahnräder
nicht zu groß und mit geringen Kosten herstellbar sind, können sie im Falle einer
Beschädigung als Ganzes ausgetauscht werden.
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Damit stellt sich die Aufgabe, ein Zahnrad zu schaffen, bei dem der
aus Kunststoff gefertigte Zahnkranz mit einem Radkörper aus Metall stabil und auf
einfache Weise lösbar verbunden ist. Das Zahnrad soll einen im Vergleich zu seiner
Dicke großen Durchmesser haben können, auch für große und/oder stoßartige Beanspruchung
geeignet sein, große Kräfte und Drehmomente übertragen können und eine für die Stabilität
hinreichende Masse haben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Zahnrad mit folgenden
kennzeichnenden Merkmalen: - einen zweiteiligen Radkörper, bei dem mindestens ein
Teil aus Blech durch Stanzen und Tiefziehen hergestellt worden ist, - eine lösbare
Verbindung der beiden Radkörperteile miteinander, - Löcher in einem der beiden Radkörperteile,
- Stifte, die als gebogene Hohlzapfen an dem anderen der beiden Radkörperteile unmittelbar
spanlos angeformt sind, deren Achse parallel zur Radachse verläuft und die in die
Löcher im Zahnkranz und im anderen Radkörperteil formschlüssig eingreifen, - einen
einteiligen Zahnkranz aus Kunststoff, der mit Löchern versehen ist, deren Achse
parallel zur Radachse verläuft und der auf Stifte an einem der beiden Radkörperteile
aufgesteckt ist und von diesen kraftschlüssig gehalten wird, - eine konisch geformte
Seite des Zahnkranzes, die den Zähnen gegenüber liegt, - eine konisch geformte Seite
an einem der beiden Radkörperteile, die bei miteinander verbundenen Radkörperteilen
form- und kraftschlüssig an der konischen Seite des Zahnkranzes anliegt.
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Die als gebogene Hohlzapfen ausgebildeten Stifte können senkrecht
zu ihrer Achse einen Querschnitt haben, der ein annähernd halber Kreisring oder
ein -annähernd ganzer geteilter Kreisring ist.
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Der Zahnkranz kann außen- oder innenverzahnt sein. Die Zahnform ist
praktisch beliebig wählbar; außer geraden Zähnen können beispielsweise schräge Zähne,
Pfeilzähne, Schneckenradzähne oder Kegelradzähne vorhanden sein.
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Von dem zweiteiligen Radkörper wird mindestens das die Stifte tragende
Teil durch Stanzen und Tiefziehen hergestellt; das andere Teil kann genauso gefertigt
werden, oder es kann aus Metall gegossen oder gedreht werden, falls das Zahnrad
gleichzeitig z. B. als Schwungrad dienen und eine große Masse haben soll. Falls
nur ein Rad--körperteil aus Blech gestanzt und tiefgezogen wird, ist das andere
Radkörperteil bereits- für sich allein genommen hinreicherid stabil. Das tiefgezogene
Radkörperteil wird dann meist nur als Ring ausgebildet.
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Unter Anwendung der bekannten Grundsätze des Stanzens und Tiefziehens
lassen sich Radkörper herstellen, die im Vergleich zu ihrer Größe relativ leicht
und gleichzeitig stabil sind. Die Nabe kann an den Radkörper direkt angeformt sein,
oder sie besteht aus einem weiteren Metallteil, das nach einem der bekannten Verfahren
mit dem Radkörper verbunden wird.
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Die an dem einen Radkörperteil angeformten Stifte, die durch die Löcher
im Zahnkranz hindurchgehen und in die Löcher im anderen Radkörperteil form- und
kraftschlüssig eingreifen, ergeben eine robuste Befestigung des Zahnkranzes. Die
Stifte dienen sowohl zur radialen Fixiertang des Zahnkranzes als auch zur Übertragung
des Drehmomentes vom - Zahnkranz zum Radkörper.
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Durch die flächige Pressung des Zahnkranzes an der konisch geformten
Seite wird beim Anziehen der lösbaren Verbindung der Zahnkranz vorgespannt und gegen
die Stifte gedrückt sowie präzise radialfisiert, und die radiale Verformung des
Zahnkranzes bei der Übertragung des Drehmomentes wird verhindert. In achsialer Richtung
wird der Zahnkranz durch die miteinander lösbar verbundenen Radkörperteile fixiert.
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Falls beide Radkörperteile aus Blech gestanzt werden, ist es möglich,
mit identisch geformten Radkörperteilen, von denen jedes Teil die halbe Anzahl der
Stifte und Löcher trägt, ein außenverzahntes Zahnrad herzustellen. Beide Radkörperteile
lassen sich mit denselben Werkzeugen fertigen. Der Zahnkranz ist auf der Innenseite
in Form eines Doppelkegels konisch geformt Das erfindungsgemäße Zahnrad hat folgende
Vorteile: - Die beiden gestanzten und tiefgezogenen Radkörperteile sind bei Großserien
mit relativ geringen Kosten herstellbar - Die Abmessungen des Zahnrades können stark
variiert werden; auch große teilweise hohle Zahnräder und solche mit stellenweise
durchbrochenem Radkörper, die eine vergleichsweise geringe Masse haben, sind herstellbar.
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- Die Zahnräder haben eine bewährte Nabe aus Metall, die ihre dauerhafte
Befestigung auf der Welle ermöglicht.
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- Der Zahnkranz ist auf einfache Weise montierbar und demontierbar;
er kann als Verschleißteil leicht ausgewechselt werden.
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- Die von Kunststoff-Zahnrädern bekannte Laufruhe wird kombiniert
mit der stabilen Befestigungs- und Lagermöglichkeit von Zahnrädern, die vollständig
aus Metall bestehen.
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- Der Zahnkranz ist einfach herstellbar und kann mit fast beliebigen
Zahnformen versehen werden.
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Die Ausführung des erfindungsgemäBen Zahnrades wird an Hand der Figuren
beispielhaft näher erläutert.
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In Figur 1 ist ein achsialer Querschnitt durch den äußeren Teil eines
fertig montierten Zahnrades dargestellt. »ie beiden durch Stanzen und Tiefziehen
aus bletallblech hergestellten Radkörperteile (1) und (2) halten den eingespannten
außenverzahnten Zahnkranz (3) aus Kunststoff. Am Radkörperteil (1) sind die Stifte
(4) als abgewinkelte Hohlzapfen angeformt, die durch den Zahnkranz (3) hindurchgehen
und in Löcher im Radkörperteil (2) eingreifen. Beide Radkörperteile sind durch radial
verlaufende Sicken (5) versteift. Die innere Seite (-6) des Zahnkranzes ist konisch
geformt; hieran wird die entsprecbend geformte Fläche (7) des Radkörperteils (2)
angepreßt. Beide Radkörperteile sind lösbar miteinander verbunden, und zwar mittels
gegen ungewolltes Lösen gesicherter Schrauben. Die Schrauben sind von dem durch
das Zahnrad übertragenen Drehmoment weitgehend entlastet, vor allem dann, wenn zumindest
einige der Sicken in -de-n heizen Radkörperteilen ineinandergreifen oder einige
scharfkantige ineinandergreifende Ausbuchzungen in die beid-en Radkörperteile ge-stanzt
werden.
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Figur 2 zeigt sowohl die Aufsicht auf die Außenseite des Ra-dkövperteils
(1) in Figur 1 als auch einen Teilquerschnitt senkrecht zur Radachse durch Figur
1 an der Stelle der gestrichelten Linien im Bereich eines der hohlen Stifte. Die
Löcher im Zahnkranz befinden sich unterhalb der Zwischenräume zwischen zwei benachbarten
Zähnen; die Löcher können jedoch auch unter den Zähnen selbst angebracht sein. Im
allgemeinen ist die Anzahl der Zähne größer als die Anzahl der Löcher im Zahnkranz.
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.-In den Figuren 3 bis 5 sind Querschnitte durch die drei .Teile-d;es
Zahnrades dargestellt; diese Figuren zeigen -die Lage der Teile zueinander, bevor
diese zusammenge-
steckt werden. Figur 3 zeigt das Radkörperteil
(1) mit den Sicken (5) und den achsenparallelen hohlen Stiften (4). Figur 4 zeigt
den außenverzahnten Zahnkranz (3) mit den achsenparallelen Löchern (9) und der konisch
geformt ten Seite (6), die den Zähnen gegenüber liegt. Auf der Seite des Zahnkranzes,
der dem die Stifte tragenden Radkörperteil zugekehrt ist, ist im Bereich der Löcher
(9) eine umlaufende Rille (10) angebracht, die den verbreiterten Fuß der Stifte
aufnimmt; dieser tritt auf, wenn die Stifte aus rechteckigen Ansätzen geformt werden,
die keine Einschnitte am Ansatzfuß haben Figur 5 zeigt das Radkörperteil (2) mit
den Sicken (5), der konischen Seite (7) und den Löchern (11).
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Figur 6 zeigt die Herstellung der an dem einen Radkörperteil direkt
angeformten hohlen Stifte (4). Figur 6a zeigt die ausgestanzten zunächst radial
nach außen weisenden Ansätze, die gemäß Figur 6b zu Hohlzapfen geformt und anschließend
gemäß Figur 6c in ihrem Fuß so weit gebogen werden, bis sie parallel zur Achse des
Radkörperteils verlaufen. Die Stifte in Figur 6 haben einen Querschnitt, der ein
annähernd ganzer geteilter Kreisring ist.
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In Figur 7 ist eine Aufsicht auf das Zahnrad dargestellt, und zwar
auf die Außenseite des Radkörperteils (2) der Figur 1. In beiden Fällen haben die
Stifte (4) einen Querschnitt, der annähernd ein halber Kreisring ist; in Figur 7a
ist dieser offen auf der den Zähnen zugewandten Seite, in Figur 7b auf der der Radachse
zugewandten Seite.
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Die Figur 8 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Zahnrad
mit Außenverzahnung, bei dem das eine Teil (12) des Radkörpers massiv gegossen ist;
das andere Radkörperteil (1) ist gestanzt und tiefgezogen, mit hohlen Stiften versehen
und mit dem Teil (12) lösbar verbunden. Die Stifte greifen in Sacklöcher (13) in
Teil (12) ein.
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In Figur 9 ist der Querschnitt durch ein erfindungsgemäß.es -Zahnrad
mit innenverzahntem Zahnkranz (14) dargestellt,. 33as eine Radkörperteil (15) ist
aus massivem Metall gedreht. Das zweite Radkörperteil (16) ist ein aus Metallblech
gestanzter und tiefgezogener Ring, der den Zahnkranz außen umschließt und mit hohlen
Stiften versehen ist, die in Sacklöcher (13) des ersten Radkorpert-eils eingreifen.
Beide Radkörperteile sind lösbar miteinander verbunden. Der Zahnkranz hat eine außen
liegende konisch geformte Seite -(17).