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Kraftübertragungsrad
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Die Erfindung betrifft ein Kraftübertragungsrad, insbesondere Zahnriemenrad
oder dgl., mit einer Nabe, einem konzentrisch in Abstand zu der Nabe angeordneten
Kranz und einem die Nabe mit dem Kranz verbindenden Teller.
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Ein bevorzugtes, jedoch nicht ausschliessliches Einsatzgebiet von
Kraftübertragungs- bzw. Zahnriemenrädern der in Rede stehenden Art ist bei Riementrieben
für den Antrieb der Nockenwellen von Verbrennungsmotoren. Für derartige Riementriebe
hat man bislang trotz ihres hohen Gewichtes Zahnriemenräder aus Grauquss, Metalldruck5uss
oder Sintermetall verwendet, wobei in der Regel die Nabe dieser Zahnriemenräder
in Axialrichtung versetzt gegenüber dem flanschartig einseitig vom Teller abstehenden
Zahnkranz angeordnet ist.
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Ziel der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung eines Kraftübertragungs-
bzw. Zahnriemenrades der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art, das bei
wenigstens gleichhoher Betriebszuverlässigkeit wie die bislang verwendeten Räder
aus Grauguss,Metalldruckguss oder Sintermetall ein geringeres Gewicht hat und sich
wirtschaftlich in Grosserie herstellen lässt.
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Erfindungsgemäss wird dieses Ziel dadurch erreicht, dass das Rad ein
integral geformter Körper aus einem Kunststoffmaterial ist, bei dem der Teller auch
bei einer axialen Versetzung der Nabe relativ zum Kranz wenigstens am Kranz im wesentlichen
mittig angeformt ist.
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Erfindungsgemäss besteht somit das Kraftübertragungs- oder Zahnriemenrad
aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere einem faserverstärkten thermoplastischen
Kunststoff, wie Polyamid, so dass es wirtschaftlich im Spritzgiessverfahren mit
hoher Präzision hergestellt werden kann. Ein wesentlicher Grund für die hohe thermische
und mechanische Dauerbelastbarkeit des erfindungsgemässen Kunststoffrades ist die
mittige Anbindung des Tellers am Zahnkranz, so dass das Kunststoffmaterial beim
Spritzgiessen aus dem Teller heraus gleichmässig in entgegengesetzten Richtungen
den Formhohlraum, der den Zahnkranz bildet, füllen kann.
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Obschon durch das Kunststoffmaterial an sich schon eine hohe Cewichtseinsparung
gegenüber einem Rad aus Grauguss oder Sintermetall erzielt wird, kann zur weiteren
Gewichtseinsparung gemäss einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung im Teller
des Zahnriemenrades-wie bei den bislang verwendeten Metallrädern-eine Vielzahl von
Durchbohrungen vorgesehen sein.
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Diese Durchbohrungen haben zur Folge, dass der Teller Bereiche mit
Vollquerschnitt und Bereiche mit infolge der Durchbohrungen unterbrochenem Querschnitt
aufweist. Normalerweise würde dies bei einem Kunststofformteil Verwerfungen infolge
unterschiedlicher Schwindung an den verschiedenen Querschnittsbereichen des Tellers
zur Folge haben. Uberraschenderweise wurde jedoch festgestellt, dass sich solche
Verwerfungen infolge unterschiedlicher Schwindung des Materials beim Abkühlen aus
der Schmelze vollständig vermeiden lassen, wenn nahe bei oder an der Verbindungsstelle
zwischen Teller und Zahnkranz am Teller eine Querschnittsverengung mit Stauwirkung
vorgesehen wird, an der sich das Material staut bzw.
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ansammelt, bevor es in den Formhohlraum fliesst, der den Zahnkranz
bildet. Es wurde festgestellt, dass diese Massnahme ein sehr wirksames Mittel ist,
um trotz des Vorsehens
der Bohrungen im Teller Verwerfungen am Zahnkranz
und an den übrigen Teilen des Rades zu verhindern.
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In der Nabe des Zahnriemenrades nach der Erfindung ist ein büchsen-
oder rohrförmiges Metallteil fest verankert. Bei dem Metallteil kann es sich um
ein Teil aus Sintermetall handeln, das so ausgebildet ist, dass die Kräfte vom Kunststoffkörper
auf das Metallteil oder umgekehrt unter weitestgehender Vermeidung von Spannungskonzentrationen
übertragen werden. Das Metallteil kann auch ein durch Ziehen eines Metallbleches
hergestelltes Teil sein, wodurch sich die Kosten für seine Fertigung erheblich reduzieren
lassen. Bezüglich dieser und anderer bevorzugter Ausbildungen des erfindungsgemässen
Zahnriemenrades wird auf die Patentansprüche verwiesen.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäss
aufgebauten Zahnriemenrades mit in der Nabe integriertem Sintermetallteil, Fig.
2 eine geschnittene Ansicht längs der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1, Fig. 2A eine Ansicht
des Details Y in Fig. 2 in vergrössertem Masstab, Fig. 3 eine endseitige Ansicht
des in Fig. 1 gezeigten Sintermetallteils,
Fig. 4 eine längsgeschnittene
Ansicht des in Fig. 1 gezeigten Sintermetallteils, Fig. 5 in fragmentarischer Ansicht
einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäss aufgebauten Zahnriemenrades
mit einem in der Nabe integrierten gezogenen Metallteil und Fig. 6 eine fragmentarische
geschnittene Ansicht längs der Schnittlinie 6-6 in Fig. 5.
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Das in Fig. 1 und 2 gezeigte Kraftübertragungs- bzw. Zahnriemenrad
1 nach der Erfindung umfasst in an sich bekannter Weise eine zentrale Nabe 2 zur
Befestigung des Rades auf einer nicht gezeigten Welle, einen die Nabe konzentrisch
in Abstand umgebenden Zahnkranz 4 mit längs seines äusseren Umfanges ausgebildeten
Zähnen 5, die in Eingriff mit einem nicht dargestellten Zahnriemen treten können,
und einen die Nabe 2 mit dem Zahnkranz 4 verbindenden Teller oder Scheibenteil 3.
Wie dargestellt, kann die Nabe 2 in Bezug auf den Zahnkranz 4 in Axialrichtung des
Rades mehr oder weniger deutlich versetzt angeordnet sein, so dass die radiale Mittelebene
der Nabe 2 nicht mit der radialen Mittelebene des Zahnkranzes 4 übereinstimmen braucht.
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Erfindungsgemäss ist das Zahnriemenrad 1 ein,vorzugsweise im Spritzgiessverfahren
hergestelltes Kunststoffformteil, bei dem in der Nabe 2 ein büchsenförmiges Metallteil
6 integriert oder fixiert ist. Auf das Metallteil 6 wird nachfolgend noch nähereingegangen.
Bei Verwendung des Zahnriemenrades 1 für den Antrieb der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors
werden vorzugsweise thermisch und mechanisch hochbelastbare thermoplastische Kunststoffe,
wie
faserverstärktes Polyamid oder faserverstärkter thermoplastischer Polyester, verwendet.
Die Erfindung ist jedoch weder auf diese Kunststoffmaterialien noch auf die erwähnten
Einsatzgebiete beschränkt.
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Eine wesentliche Voraussetzung für die Ausbildung des Zahnriemenrades
als Kunststofformteil ist, dass erfindungsgemäss der Teller 3 im wesentlichen mittig
wenigstens am Zahnkranz 4, vorzugsweise auch im wesentlichen mittig an der Nabe
2, wie dargestellt, angeformt ist, und zwar unabhängig davon, ob die radialen Mittelebenen
von- Teller 3 und Zahnkranz 4 übereinstimmen, oder, wie bei der gezeigten Ausführungsform,
in Axialrichtung des Rades versetzt zueinander angeordnet sind.
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Durch die mittige Anbindung des Tellers 3 am Zahnkranz 4 wird erreicht,1
dass das Kunststoffmaterial beim Spritzgiessen gleiche Fliesswege.vom Teller zu
den Endflächen des Zahnkranzes 4 zurückzulegen hat, wodurch eine weitestgehende
Freiheit des Materials von inneren Spannungen erzielt wird.
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I Die erfindungsgemässe mittige Anformung des Tellers 3 am Zahnkranz
4 sowie an der Nabe 2 hat zur Folge, dass, wenn die Nabe 2 in Bezug auf den Zahnkranz
4 axial versetzt liegt, sich der Teller 3 mehr oder minder deutlich aus der Vertikalen
in Richtung auf die Mitte des Zahnrades 4 abgewinkelt erstreckt. Bei der in Fig.
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1 und 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt
sich der Teller 3 jedoch zunächst im wesentlichen senkrecht und mittig von der Nabe
2 und ist erst im Bereich seines äusseren Umfanges, wie bei 3' angedeutet, in Richtung
auf die Mitte des Zahnkranzes 4 abgewinkelt.
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In dem senkrechten Bereich des Tellers 3 ist gemäss Fig.
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1 zur weiteren Gewichtseinsparung eine Vielzahl von im gleichen Winkelabstand
voneinander liegenden Durchbrechungen oder Durchbohrungen 7 vorgesehen. Normalerweise
haben diese Durchbrechungen oder Durchbohrungen 7 zur Folge, dass wegen der unterschiedlichen
Schwindung des Materials an den Bereichen des Tellers mit durchgehendem Querschnitt
und den Bereichen mit unterbrochenem Querschnitt der Zahnkranz 4 mehr oder minder
starke Verwerfungen aufweist bzw. unrund wird. Erfindungsgemäss wurde jedoch festgestellt,
dass diese Verwerfungen vermieden werden können bzw. trotz des Vorsehens der Durchbohrungen
7 ein kreisrunder Zahnkranz erhalten wird, wenn, wie in Fig. 2A dargestellt, nahe
der Verbindungs-oder Ubergangsstelle zwischen Teller 3 und Zahnkranz 4 die Wandstärke
des Tellers im wesentlichen abrupt jedoch so,da keine wesentliche Kerbwirkung entsteht,
verringert wird.
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Diese Querschnittsverengung3" infolge z.B. einer sich längs des Umfanges
des Tellers an beiden Seiten erstreckenden kreissegmentförmigen Nut 8 bewirkt, dass
sich das Material beim Spritzgiessen staut oder ansammelt, bevor es in den Zahnkranz
4 fliesst.
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In der Nabe 2 ist gemäss Fig. 1 und 2 ein rohrförmiges Metallteil
6 fest verankert. Dieses Metallteil 6 kann gemäss Fig. 3 und 4 aus SintermetalAbestehen
und wird als Einlegeteil in die Spritzgiessform eingebracht, um beim Spritzgiessen
fest in dem Kunststoffmaterial der Nabe 2 verankert zu werden. Eine andere Ausführungsform
für das rohrförmige Metallteil ist in Fig. 5 und 6 gezeigt.
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Nach Fig. 3 und 4 sind längs des äusseren Umfanges des Sintermetallteiles
6 in gleichem Winkelabstand voneinander Vorsprünge 9 angeformt, die sich von einem
Ende des
Metallteiles 6 bis zu dessen anderes Ende erstrecken.
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Vorzugsweise hat jeder Vorsprung 9 einen im wesentlichen rechteckförmigen
Querschnitt mit abgerundeten Ecken 11, so dass Kerbeffekte vermieden werden. Erfindungsgemäss
liegen ferner die seitlichen Flanken 10, 10 der Vorsprünge 9 im wesentlichen parallel
zu der betreffenden den Vorsprung mittig durchsetzenden und durch den Mittelpunkt
des Metallteils gehenden Axialebene. Hierdurch wird erreicht, dass die Drehkraft
von der Nabe 2 auf das Metallteil 6 bzw. umgekehrt unter weitestgehender Vermeidung
von Spannungsspitzen bzw. Kerbeffekten übertragen wird.
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Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, den Zwischenraum zwischen
demjenigen Paar Vorsprüngen, die aussen gegenüber einer am inneren Umfang des Metallteiles
6 ausgebildeten Keilfedernut 14 liegen, deutlich auszurunden, wie dies bei 13 in
Fig. 3 angedeutet ist. Die Querschnittsform der im Bereich der Keilfedernutl4 befindlichen
Vorsprünge kann deshalb von der Querschnittsform der Vorsprünge 9 abweichen, die
längs des übrigen Umfanges des Metallteiles 6 vorgesehen sind.
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Zur axialen Fixierung des Metallteiles 6 in der Kunststoffnabe 2 ist
erfindungsgemäss längs des äusseren Umfanges des Metallteiles an einer Stelle im
wesentlichen zwischen dessen axialen Enden eine Ausnehmung oder Nut 12 gemäss Fig.
4 vorgesehen, in die das Kunststoffmaterial hineinfliessen kann. Vorzugsweise durchsetzt
die Nut 12 nur die Vorsprünge 9, nicht jedoch das eigentliche Kernmaterial des Metallteiles
6. Durch die mittige Anordnung der Nut 12 wird eine ausreichende Axialfixierung
des Metallteils 6 in der Kunststoffnabe 2 erreicht, ohne dass beim Abkühlen des
Kunststoffmaterials innere Spannungen infolge behinderter Schwindung in der Kunststoffnabe
2 verbleiben.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäss aufgebauten
Zahnriemenrades. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 bis
4 gezeigten im wesentlichen dadurch, dass anstelle des Sintermetallteiles 6 in der
Kunststoffnabe 2 ein durch Ziehen eines Meßallbleches gebildetes rohrförmiges Metallteil
15 integriert bzw. fixiert ist. Das gezogene Metallteil 15 kann, wie dargestellt,
eine Bodenwand 16 mit einer darin vorgesehenen Durchgangsbohrung 17 haben. Durch
die Bohrung 17 kann ein nicht gezeigter Schraubbolzen geführt werden, um das Zahnriemenrad
an einer nicht gezeigten Welle zu befestigen. Eine weitere exzentrisch angeordnete
kleinere Bohrung 8 kann in der Bodenwand 16 zur Aufnahme eines von der Welle abstehenden
nicht gezeiten Mitnehmerstiftes vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäss hat das gezogene Metallteil 15, wie in Fig. 5 dargestellt,
einen geeigneten, z.B. wie dargestellt, wellen- oder zick-zack-förmigen Querschnitt,
um ähnlich wie die in Verbindung mit Fig. 3'und 4 beschriebenen Vorsprünge 9 der
vorerwähnten Ausführungsform eine schlupffreie Ubertragung des Drehmomentes zwischen
Kunststoffnabe 2 und Metallteil 15 zu erhalten.
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Zur axialen Fixierung des gezogenenAletallteiles 15 gegenüber der
Nabe 2 weist dieses an einer zentralen Stelle zwischen seinen axialen Enden ein
oder mehrere Bohrungen oder Löcher 19 auf, in die das Kunststoffmaterial beim Spritzgiessen
verkrallend eindringen kann.
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Ansonsten entspricht die Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 5
und 6 derjenigen nach Fig. 1 und 2. Gleiche oder ähnliche Teile tragen daher bei
beiden Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen.
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Beispiel Es wurde festgestellt, dass ein erfindungsgemäss ausgebildetes
Zahnriemenrad mit nachfolgenden Abmessungen als Antriebselement für die Nockenwelle
eines Verbrennungsmotors trotz des geringeren Gewichtes den im Einsatz befindlichen
Zahnriemenrädern aus Metall wenigstens ebenbürtig ist: Aussendurchmesser des Rades
1 132 mm Aussendurchmesser der Nabe 2 44 mm Dicke des Tellers 3 5 mm Tiefe der Nut
8 an jeder Seite des Tellers 0,75 mm Radius der Nut 8 2 mm Breite des Zahnkranzes
4 21 mm Breite der Nabe 2 18 mm Anzahl der Durchbohrungen 7 6 mm Abwinklung des
Bereiches 3' gegenüber der Vertikalen 150 Material für den Kunststoffkörper des
Rades: glasfaserverstärkter thermoplastischer Polyester