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AIltriellseinheit, insbesondere für Wischhebel von Kraftfahrzeugen
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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit gemäß den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus der Praxis ist eine solche Antriebseinheit bekannt, bei welcher
das Zahnrad aus einem Kunststoff spritzgegossen ist.
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Dadurch ist eine preiswerte Fertigung des Zahnrades möglich, außerdem
ist das Zahnrad leicht, wodurch sich eine Gewichts-und Antriebsenergieersparnis
ergibt. Für Antriebseinheiten, die zum Übertragen größerer Motorleistungen und/oder
zum Antrieb gröberer Wischhebel vorgesehen sind und deswegen größere Zahnrer besitzten
müssen, bringt deren Fertigung aus Kunststoff jedoch Probleme mit sich. Um eine
genügende Stabilität zu er-3walten, müssen die Speichen und der sie verbindende
Ring nämlic relativ voluminös ausgeführt werden. Übliche und zur Zahnradfertigung
gebräuchliche Kunststoff besitzten jedoch eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Da bei
dem größeren Zahnrad dann relativ große, ungleichmäßig über den Radumfang verteilte
Kunststoffmassen vorliegen, ist das Abkühlverhalten des größeren Zahnrades besonders
schlecht. Wenn das größere Zahnrad durch Spritzguß oder ein anderes, Wärme benötigendes
Verfahren hergestellt wird, kühlen sich die Bereiche des Zahnkranzes und des Ringes
langsamer ab, welche an die äußeren Enden der Speichen angrenzen. Dadurch bilden
sich um den Zahnkranzumfang verteilte Ecken aus, welche sich negativ auf das Laufverhalten
des Zahnrades und damit auf die Funktion der gesamten Antriebseinheit auswirken.
Diese Eckenbildung beim Abkjihlen scheint mit keiner üblichen Maßnahme beherrschbar
zu sein. Aufgrund des schlechten Abkühlverhaltens des Zahnrades kommt es außerdem
bei einem Blockieren des Antriebsmotors besonder leicht zu einer starken örtlichen
Erwärmung und plastischen Verformung des Zahnkranzes. Dann ist aber meist ein Austausch
des Zahnrades nötig, was aufgrund dessen Größe kostspielig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebseinheit der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei der trotz Verwendung üblicher Kunststoffe bei relativ großen
Zahnrädern deren exakte und preiswerte Fertigung mittels üblicher Verfahren sowie
deren lange, einwandfreie Funktion gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennz##ichnenden Teil des Anspruchs
1 aufgeführte Maßnahme gelöst. Aufgrund der beiden Ringnuten ist ein gutes Abkühlverhalten
gewährleistet. Der Ring ist in seinem an den Zahnkranz angrenzenden Bereich niedriger
als in seinen übrigen Bereichen. Damit liegt hier weniger Kunststoffmasse vor, weswegen
ein( schnellere Abkühlung des Zahnrades bei der Fertigung möglich und eine Eckenbildung
am Zahnkranz vermeidbar ist. Aufgrund der Ringnuten sind zwischen dem Zahnkranz
und dem Ring luftgefüllte Zwischenräume vorhanden, so daß durch ein Blockieren des
Antriebsmotors im Zahnkranz erzeugte Wärme zumindest dann abgeleitet und dadurch
eine plastische Verformung verhindert werden kann, wenn das verwendete Kunststoffmaterial
eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Aufgrund der Anordnung jeweils einer Ringnut
an beiden Ringgrundflächen steht der Zahnkranz sowohl an seinem oberen als auch
an seinem unteren Ende frei und kann hier gut abkühlen. Deshalb ist zumindest dem
oberen und an dem unteren Ende des Zahnkranzes jederzeit eine gute Verzahnungsqualität
gewährleistet.
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Durch die im Anspruch 2 aufgeführte Maßnahme wird an den oberen und
unteren Enden des Zahnkranzes und des Ringes, das heißt also nahe deren Stirn- oder
Grundflächen, das gleiche Abkühlverhalten erreicht.
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Das Abkühlverhalten des Zahnrades kann durch die aus den Ansprüchen
3 bis 5 ersichtlichen Maßnahmen aufgrund der sich dabei ergebenden gleichen Materialstärken
der einzelnen Zahnradabschnitte weiter verbessert werden. Bei Einhaltung der im
Anspruch 5 vorgeschlagenen Nutengestaltung ist bei Verwendung üblicher Kunststoffe
außerdem die Bruchstabilität des Zahnrades im Ring-Zahnkranz-Bereich gewährleistet.
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Die im Anspruch 6 gekennzeichnete Nutengestaltung wirkt sich ebenfalls
günstig auf die Bruchstabilität des Zahnrades aus.
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Durch die im Anspruch 7 aufgeführte Weiterbildung kann das Zahnrad
leicht aus der Werkzeugform gelöst werden. Dabei sind sowohl halbrunde als auch
trapezförmige Nutenquerschnitte möglich. Bei gleicher Ausdehnung in radialer Richtung
sowie über die Za1#nkranzhöhe sind mit trapezförmigen Nutenquerschnitten in unmittelbarer
Zahnkranznähe größere Nuttiefen erzielbar, so daß das Abkühlverhalten hier besser
sein dürfte. Deswegen wird trapezförmigen Nutenquerschnitten der Vorzug gegeben.
In Anspruch 9 ist ein herstellungstechnisch besonders vorteilhafter Trapezquerschnitt
zekennzeichnet.
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Wenn das Zahnrad auf eine Getriebewelle aufgesetzt werden soll, ist
es dazu besonders geeignet, wenn es gemäß Anspruch 10 weitergebildet ist. Durch
die Verwendung einer Buchse steht das Zahnrad mit einer größeren Anlagefläche mit
der Getriebewelle in Verbindung, wodurch die Verbindung sicherer als sonst ist.
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Besonders einfach und sicher kann die Verbindung zwischen Zahnrad
und Getriebewelle durch die in den Ansprüchen 11 und 12 aufgezeigten Maßnahmen hergestellt
werden. Durch die wellenförmige Außenverzahnung der Buchse wird eine wellenförmige
Innenverzahnung in die Nabe des Zahnrads eingeprägt. Ein solches Profil ist bei
einem eventuellen Blockieren der Getriebelvelle weniger verformungsgefährdet als
das bisher übliche scharfkantige Profil. Bei der üblicherweise aus einem harten
metallischen Material bestehenden Getriebewelle ist dagegen ein scharfkantiges Zahnprofil
sinnvoll, das sich in eine weichere, aber üblicherweise nicht so weich wie ein Kunststoffzahnrad
ausgebildete Buchse eingraben soll.
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Durch die im Anspruch 13 aufgeführte Maßnahme wird die Anlagefläche
des Zahnrades ebenfalls vergrößert und dadurch die Verbindung
zwischen
Zahnrad und Getriebewelle verbessert. Aus stilistischen Gründen wird die im Anspruch
14 aufgeführte Variante bevorzugt.
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Im Wesentlichen ebene Zahnradstirnflächenkönnen mit der in Anspruch
15 gekennzeichneten Weiterbildung erreicht werden.Die Wwddicke solcher Zahnräder
ist überall gering. Dadurch ist ein besonders gutes Abkühlverhalten gevährleistet.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung
sind der Zeichnung zu entnehmen, die ein Ausführungsbeispiel zeigt. In der Zeichnung
ist in Fig. 1 ein Längsschnitt durch Teile einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit
mit einem Zahnrad, in Fig. 2 eine Ansicht von oben auf das in Fig. 1 dargestellte
Zahnrad, in Fig. 3 ein Schnitt entlang der Linie A-B der Fig. 2 und in Fig. 4 eine
Einzelheit der Fig. 2 im vergrößertem Maßstab dargestellt.
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In Fig. 1 ist die aus einem Stahl bestehende Abtriebswelle 10 des
Getriebes einer elektromotorisch angetriebenen Antriebseinheit dargestellt, welche
den Wischilebel einer Einhebel-Wischanlage antreiben soll, die zum Wischen der Windschutzscheibe
eines Kraftfahrzeuges vorgesehen ist.
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Die Abtriebswelle 10 ist nahe ihrem unteren Ende mit einer scharfkantigen
Außenverzahnung 11 ausgestattet und in eine zylindrische Buchse 20 eingepreßt, welche
aus einem geringfügig weicheren Stahl wie die Abtriebswelle 10 besteht. Die Buchse
20 ist, wie die Fig. 4 besonders deutlich zeigt, mit
einer wellenförmigen
Außenverzahnung 21 versehen. Wie die Fig.
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1 zeigt, ist die Buchse 20 mit einem Zahnrad 30 aus einem Polyoxymethylen
umspritzt, welches als Schneckenrad dient.
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Wcentllch bei der vorliegenden Antriebseinheit ist die Gestalt des
Zahnrades 30. Aufgrund der wellenförmigen Außenxerzahnung 21 der Buchse 20 wird
beim Spritzen der zylindrischen Nabe 31 des Zahnrades 30 eine die wellenförmige
Außenverzahnung 21 der Buchse 20 ausfüllende wellenförmige Verzahnung 32 gebi]det,
wie die Fig. 2 zeigt. Dadurch ist eine sichere Verbindung zwischen dem Zahnrad 30
und der Buchse 20 und damit zwischen dem Zahnrad 30 und der Abtriebswelle 10 gewährleistet,
die aufgrund der Wellenform der Verzahnungen 21 und 32 besonders kunststoffgerecht
ist. Die wellenförmige Außenverzahnung 21 der Buchse 20 beschädigt die Nabe 31 des
Zahnrades 30 im Gegensatz zu einer scharfkantigen Außenverzahnung nicht oder weitaus
weniger,falls die Abtriebswelle 10 einmal blockieren sollte. Durch die Verwendung
der Buchse 20 stehen das Zahnrad 30 und die Abtriebswelle 10 mit großen Anlageflächen
in Verbindung, was sich ebenfalls positiv auf die Sicherheit der Verbindung zwischen
Zahnrad 30 und Abtriebswelle 10 auswirkt.
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An die Nabe 31 schließt sich der Grundkörper 33 des Zahnrades 30 an,
der zwölf gleichmäßig und in seitlichem Abstand zueinander verteilte radiale Speichen
34 und 35 besitzt, welche alternierend am oberen Ende 36 und am unteren Ende 37
des im Wesentlichen zylindrischen Grundkörpers 33 angeordnet sind und sich jeweils
über etwa ein Drittel von dessen Höhe H erstrecken, wie die Fig. 1 und 3 zeigen.
Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, sind die Speichen 34 und 35 an ihren äußeren Enden
durch einen Ring 38 miteinander verbunden, welcher die gleiche Höhe H wie der Grundkörper
33 besitzt. Um den Umfang des Ringes 38 erstreckt sich der Zahnkranz 39 des Zahnrades
30, dessen Zähne 40 aufgrund einer schrägen Anordnung der nicht
dargestellten
Schneckenwelle nahe des unteren Endes 37 des Zahnrades 30 gekrümmt auslaufen. Vom
unteren Ende 37 des Za#inrades 30 her betrachtet, besitzt der Zahnkranz 39 in radialer
Richtung eine etwa um ein Viertel kleinere Ausdehnung als der Ring 38, dessen gedachte
Begrenzungslinien zum Zahnkranz 39 und den Speichen 34,35 in Fig. 1 gestrichelt
eingezeichnet sind. Vom oberen Ende 36 des Zahnrades 30 her betrachtet, besitzt
der Zahnkranz 39 in radialer Richtung die gleiche Ausdehnung wie der Ring 38.
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Sowohl in die obere Grundfläche 41 als auch in die untere Grundfläche
42 des Ringes 38 ist jeweils eine Ringnut 43 bzw.
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44 eingelassen. Die Ringnuten 43 und 44 trennen den Ring 38 über jeweils
ein Viertel seiner Höhe H vom Zahnkranz 39, wie die Fig. 1 zeigt. Somit stehen gleich
hohe Zahnkranzabschnitte 45146 frei. Die beiden Ringnuten 43 und 44 besitzten dabei
einen trapezförmigen Querschnitt und in radialer Richtung eine mittlere Ausdehnung,
welche etwa einem Viertel der Ausdehnung des Ringes 38 in die radiale Richtung entspricht.
Dadurch besitzen der Ring 38 und der Zahnkranz 39 in radialer Richtung nun zu einem
großen Teil die gleiche Ausdehnung. Somit ist eine schnelle und gleichmäßige Verteilung
der Kunststoffmasse beim Spritzgießen in die äußeren Bereiche, nämlich den Ring
38 und den Zahnkranz 39 ebenso wie deren schnelle Abkühlung gewährleistet. Dadurch
wird zum einen verhindert, daß die Speichen 34 und 35 den Umfang des Zahnkranzes
39 verteilte Ecken verursachen, welche sich negativ auf das Laufverhalten des Zahnrades
30 auswirken würden. Weil der Zahnkranz 39 aufgrund der Anordnung jeweils einer
Ringnut 43 bzw. 44 an beiden Ringgrundflächen 41 bzw. 42 sowohl an seinem das obere
Ende bildenden Zahnkranzabschnitt 45 als auch an seinem das untere Ende bildenden
Zahnkranzabschiiitt 46 frei steht, kann er hier besonders gut abkühlen. Deshalb
ist zumindest an den Enden 45 und 46 eine gute Verzahnungsqualität mit der Schneckenwelle
gewährleistet.
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Aufgrund des trapezförmigen Querschnitts der Ringnuten 43 und 44 kann
das Zahnrad 30 ohne Schwierigkeiten aus der Werkzeugform entfernt werden. Die Ringnuten
43 und 44 besitzten dabei zwei seitliche Begrenzungswände 47,48, welche in gleichen
Neigungswinkeln ¾ , die sich zu den den Ringnuten 43,44 zugehiiricn
Grundflächen
41 bzw. 42 des Ringes 38 hin öffnen und etwa 10 Grad betragen, zu den Grundflächen
41 bzw. 42 ver-1¢lufen. Diese spezielle Ausbildung hat sich in der Praxis als besonders
vorteilhaft erwiesen.
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Vorteilhaft ist außerdem, daß jede Speiche 34 bzw. 35 über zwei beidseitig
an ihr angeformte, in radialer Richtung verlaufende und sich über die gesamte Höhe
H des Grundkörpers 33 erstreckende Seitenwände 49 mit ihren beidseitigen, am jeweilig
anderen Grundkörperende 36 bzw. 37 angeordneten Nachbarn 35 bzw. 34 verbunden ist.
Die Seitenwände 49 verlaufen in Neigungswinkeln ß von ungefähr 30 Grad, welche sich
zu den Grundkörperenden 36 und 37 hin öffnen, zu den Speichen 34 bzw. 35. Jede Seitenwand
49 ist nahe der Nabe 31 mit der ihr unmittelbar gegenüberliegenden Seitenwand 49
durch einen Steg 50 verbunden. Die Stege 50 sind an den Speichen 34,35 anaus über
die gesamte Höhe H des Grundkörpers3, geformt und erstrecken sich von doft#wie die
Fig. 1 und 2 zeigen. Die Seitenwände 49 stützen somit die Speichen 34 und 35 und
die Stege 50 stützen die Seitenwände 49 ab. Das Zahnrad 30 besitzt daher eine große
mechanische Stabilität. Dabei sind die Stege 50 und die Seitenwände 49 in radialer
Richtung so groß wie die Speichen 34 und 35 hoch sind. Das Abkühlverhalten des Zahnrades
30 beim Spritzgießen ist daher an allen Stellen sehr gut, weil die Wanddicke überall
nahezu gleich ist. Außerdem verlaufen die Stege 50 ebenso wie die Nabe 31 leicht
geneigt. Aufgrund dieser Neigungen ist das Zahnrad 30 an allen Stellen ohne Schwierigkeiten
aus der Werkzeugform lösbar.
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Wie die Fig. 1 noch zeigt, ragt die Nabe 31 mit ihrem unteren Ende
31a über das untere Ende 37 des Grundkörpers 33 hinaus.
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Die Nabe 31 ist somit höher als der Grundkörper 33. Dadurch sind Zahnrad
30 und Abtriebswelle 10 über eine große Höhe geführt, das Zahnrad 30 ist aber über
den größeren Teil seiner diametralen Ausdehnung nur so hoch ausgeführt, wie es für
die auf es wirkende tangentiale Belastung wirklich nötig ist. Es
wird
also nur so wenig Material wie unbedingt nötig ist verbraucht, was sowohl eine Herstellkosten-
als auch eine Gewichts- und damit eine Antriebsenergieersparnis mit sich bringt.
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