DE3523941A1 - Rotating transmission element - Google Patents
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Abstract
Description
Rotierendes Getriebeelement Rotating gear element
Die Erfindung betrifft ein rotierendes Kraftfahrzeug-Getriebeelement, insbesondere Zahnrad oder Welle, mit mindestens einer, aus hochbelastbarem Material bestehenden Lauf- oder Stützfläche.The invention relates to a rotating motor vehicle transmission element, in particular gear or shaft, with at least one, made of heavy-duty material existing running or support surface.
Es ist bekannt, die Zahnräder und Wellen eines Getriebes entweder gesamthaft aus einem hochbelastbaren metallischen Werkstoff herzustellen oder zumindest die Lauf- oder Stützflächen, d.h. bei einem Zahnrad den Zahnkranz und die Lauffläche der Nabe und bei einer Welle die Sitze für die Zahnräder und die Laufflächen für die Lager aus einem besonders hochbelastbaren Material herzustellen oder an diesen Stellen auszuhärten, während diese Getriebeelemente im übrigen aus einem weniger belastbaren Metall bestehen.It is known to have the gears and shafts of a gearbox either made entirely of a heavy-duty metallic material, or at least the running or supporting surfaces, i.e. in the case of a gear the toothed rim and the running surface the hub and, in the case of a shaft, the seats for the gears and the running surfaces for to manufacture the bearings from a particularly heavy-duty material or to these Places to harden, while these gear elements otherwise consist of one less resilient metal.
Unter "Kraftfahrzeug-Getriebe" soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Pkw-Getriebe verstanden werden."Motor vehicle transmission" is intended in the context of the present invention in particular a car transmission can be understood.
Die Verwendung- der geschilderten bekannten rotierenden Getriebeelemente in Kraftfahrzeuggetrieben hat mehrere Nachteile.The use of the described known rotating gear elements in motor vehicle transmissions has several disadvantages.
Zum einen sind auf herkömmliche Weise hergestellte Getriebeelemente verhältnismäßig schwer. Dies erhöht zum einen das Gesamtgewicht des Pahrzeugs, so daß bei jedem Beschleunigen des Fahrzeugs Energie zum Beschleunigen der Masse der Getriebeelemente aufgebracht werden muß. Zum anderen erhöht sich aber auch das Trägheitsmoment der Getriebeelemente, so daß bei einer Beschleunigung des Motors Energie aufgewandt werden muß, um die massebehafteten Getriebeelemente entsprechend der gewünschten Winkelbeschleunigung zu beschleunigen.On the one hand, there are transmission elements produced in a conventional manner relatively difficult. On the one hand, this increases the overall weight of the vehicle, see above that each time the vehicle accelerates, energy to accelerate the mass of the Gear elements must be applied. On the other hand, the moment of inertia also increases of the transmission elements, so that energy is expended when the motor accelerates must be to the mass-afflicted gear elements according to the desired Accelerate angular acceleration.
Ein weiterer Nachteil der Verwendung herkömmlicher Getriebeelemente liegt darin, daß diese aus massivem Metall bestehenden Elemente den Körperschall sowie Schwingungen vom Antriebsmotor über das Getriebe auf die Kardanwelle übertragen. Dies bedeutet, daß die vom Antriebsmotor erzeugten Schwingungen auf die Fahrzeugkarosserie übertragen werden und damit den Geräuschpegel im Inneren des Fahrzeugs erhöhen.Another disadvantage of using conventional gear elements lies in the fact that these are made of solid metal elements the structure-borne noise and vibrations from the drive motor via the gearbox to the Transfer the cardan shaft. This means that the vibrations generated by the drive motor are transmitted to the vehicle body and thus the noise level inside of the vehicle.
Weiterhin hat die Verwendung herkömmlicher Getriebeelemente den Nachteil, daß hochwertige Materialien auch dort, wo sie an sich nicht benötigt würden, eingesetzt werden, was im Zuge der allgemeinen Verknappung hochwertiger Rohstoffe unerwünscht ist.Furthermore, the use of conventional gear elements has the disadvantage that high-quality materials are also used where they are not actually needed become, which is undesirable in the course of the general shortage of high-quality raw materials is.
Schließlich stellen herkömmlich hergestellte Getriebeelemente auch einen Kostenfaktor dar, wenn sie massiv aus hochwertigem Material hergestellt werden.Finally, conventionally manufactured gear elements also make represent a cost factor if they are made of solid high quality material.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Getriebeelement der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß dessen Gewicht und die Fähigkeit, Schallschwingungen zu übertragen, vermindert wird und daß zu seiner Herstellung weniger wertvolle und teure Werkstoffe benötigt werden.The invention is therefore based on the object of a transmission element of the type mentioned to the effect that its weight and the Ability to transmit sound vibrations is reduced and that to its production less valuable and expensive materials are required.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein die Lauf- oder Stützfläche tragender Stützkörper des Getriebeelementes mindestens teilweise aus einem Leichtbaumaterial besteht.This object is achieved according to the invention in that a running or at least partially supporting body of the gear element carrying the support surface consists of a lightweight material.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird damit vollkommen gelöst.The object on which the invention is based is thus completed solved.
Verwendet man nämlich das Leichtbaumaterial an denjenigen Partien der Getriebeelemente, die lediglich Lager- und Stützfunktionen ausüben, kann zum einen das Gewicht des Getriebeelements deutlich vermindert werden, so daß sich hierdurch auch das Fahrzeuggewicht bei eingebautem Getriebe vermindert und zum Drehbeschleunigen der rotierenden Getriebeelemente weniger Energie aufzuwenden ist. Zum anderen ist Leichtbaumaterial nur in vermindertem Umfang geeignet, Schwingungen, insbesondere Schallschwingungen zu übertragen, so daß eine Verwendung erfindungsgemäßer Getriebeelemente bei Kraftfahrzeuggetrieben eine deutlich verminderte Übertragung von Schwingungen des Antriebsmotors über das Getriebe auf die Kardanwelle und die Karosserie ergibt. Hierbei kommt unterstützend hinzu, daß sich die Lauf- oder Stützflächen, die noch aus hochbelastbarem und damit Schwingungen leitendem Material hergestellt werden, nur an den Außenflächen der Getriebeelemente befinden, so daß alle Schwingungen, die über das Getriebe geleitet werden, über Bereiche der Getriebeelemente geführt werden, die aus Leichtbaumaterial bestehen, so daß bei Durchlaufen eines jeden dieser Bereiche diese Schwingungen deutlich gedämpft werden.If you use the lightweight material on those parts the transmission elements, which only exercise storage and support functions, can for the weight of the gear element can be significantly reduced, so that this also reduces the vehicle weight with the gearbox installed and accelerates the rotation the rotating gear elements require less energy. The other is Lightweight construction material is only suitable to a limited extent, vibrations, in particular To transmit sound vibrations, so that a use of transmission elements according to the invention a significantly reduced transmission of vibrations in motor vehicle transmissions of the drive motor via the gearbox on the cardan shaft and the body. This is supported by the fact that the running or support surfaces, which are still are made of highly resilient and therefore vibration-conducting material, are only located on the outer surfaces of the gear elements, so that all vibrations, which are routed via the gearbox, passed over areas of the gearbox elements are made of lightweight material, so that when going through each of these Areas these vibrations are significantly dampened.
Schließlich haben die erfindungsgemäßen Getriebeelemente den Vorteil, daß das Leichtbaumaterial ein wesentlich weniger wertvolles Material ist, so daß kostbare Rohstoffe gespart werden, abgesehen davon, daß eine derartige Verbundbauweise mit Leichtbaumaterial auch zu bemerkenswerten Kosteneinsparungen führt.Finally, the transmission elements according to the invention have the advantage that the lightweight material is a much less valuable material, so that precious raw materials are saved, apart from the fact that such a composite construction with lightweight construction material also leads to remarkable cost savings.
Eine besonders gute Wirkung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung dann erzielt, wenn das hochbelastete Material ein Werkzeugstahl, beispielsweise 16 MnCr 5 ist, ein Werkzeugstahl, der sich insbesondere für Zahnkränze eignet.A particularly good effect is achieved in the context of the present invention then achieved when the highly stressed material is a Tool steel, for example 16 MnCr 5, a tool steel that is particularly suitable for gear rims suitable.
Als Leichtbaumaterial kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Kunststoff, insbesondere ein glasfaser- oder kohlefaserverstärkter Kunststoff verwendet werden, der sich durch besonders niedriges Gewicht bei ausreichender mechanischer Festigkeit auszeichnet.As a lightweight material in the context of the present invention, a Plastic, in particular a glass fiber or carbon fiber reinforced plastic, is used which is characterized by its particularly low weight with sufficient mechanical Strength.
Man kann jedoch als Leichtbaumaterial auch eine Keramik verwenden, beispielsweise eine Keramikmatte.However, a ceramic can also be used as a lightweight construction material, for example a ceramic mat.
Schließlich kann als Leichtbaumaterial auch ein Bitumen verwendet werden.Finally, a bitumen can also be used as a lightweight construction material will.
Mit besonderem Vorteil können diese Materialien in der Weise verwendet werden, daß ein Sandwich-Aufbau entsteht, bei dem sich jeweils eine Lage hochbelastbares Material mit einer Lage Leichtbaumaterial abwechselt.These materials can be used in this way with particular advantage that a sandwich structure is created in which one layer can be subjected to heavy loads Material is alternated with a layer of lightweight construction material.
Ist, in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung, der Stützkörper mit Hohlräumen versehen, ergibt sich eine weitere Reduzierung des Gewichtes.Is, in a preferred embodiment of the invention, the support body with Provided cavities, there is a further reduction in weight.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Getriebeelement ein Zahnrad, dessen Zahnkranz und Nabe aus dem hochbelastbaren Material bestehen, während ein den Zahnkranz mit der Nabe verbindender Stützkörper aus dem Leichtbaumaterial besteht.In a particularly preferred embodiment of the invention the gear element is a gear, its ring gear and hub from the heavy-duty Material exist, while a support body connecting the ring gear to the hub consists of the lightweight material.
Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem bevorzugt der Stützkörper aus glasfaser- oder kohlefaserverstärktem Kunststoff besteht, hat sich in praktischen Versuchen besonders bewährt.This embodiment of the invention, in which the support body is preferred Made of fiberglass or carbon fiber reinforced plastic has turned out to be practical Try especially proven.
Dies gilt insbesondere dann, wenn der Stützkörper eine den Zahnkranz tragende Felge, eine die Nabe umschließende Hülse sowie die Felge mit der Hülse verbindende Speichen aufweist.This is especially true when the support body is a ring gear bearing rim, a sleeve surrounding the hub and the rim with the sleeve having connecting spokes.
Die Hohlräume können bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung in den Speichen angeordnet sein.The cavities can in this embodiment of the invention be arranged in the spokes.
Insgesamt ergibt sich mit den vorstehend genannten Merkmalen ein Getriebezahnrad, das bei ausreichender mechanischer Stabilität, insbesondere ausreichender Belastbarkeit in den beanspruchten Flächen des Zahnkranzes und der Nabe ein extrem niedriges Gewicht aufweist. Außerdem müssen bei diesem Zahnrad alle Schwingungen, die beispielsweise von der Welle auf den Zahnkranz übertragen werden, die vorzugsweise mit Hohlräumen versehenen Speichen durchlaufen, die aus dem glasfaser- oder kohlefaserverstärkten Kunststoff bestehen, so daß die Schwingungen in diesem Bereich wirksam gedämpft werden.Overall, the features mentioned above result in a gear wheel, this with sufficient mechanical stability, in particular sufficient load-bearing capacity extremely low weight in the stressed areas of the ring gear and the hub having. In addition, all vibrations, for example are transmitted from the shaft to the ring gear, preferably with cavities provided spokes go through which are made of the glass fiber or carbon fiber reinforced Plastic are made so that the vibrations in this area are effectively damped will.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Getriebeelement eine Getriebe-Hohlwelle ist, deren äußere, mit Sitzen für Zahnräder versehene Schicht aus dem hochbelastbaren Material besteht, während ein mindestens eine innere Schicht aufweisender Stützkörper aus dem Leichtbaumaterial besteht.Another embodiment of the invention is characterized from that the transmission element is a hollow transmission shaft, the outer one with seats for gears provided layer is made of the heavy-duty material, while a support body made of the lightweight construction material and having at least one inner layer consists.
Insbesondere weist die Hohlwelle dabei eine äußere Schicht aus Stahl, darinnen eine erste innere Schicht aus einer Keramikmatte und wiederum darinnen eine zweite innere Schicht aus Stahl auf.In particular, the hollow shaft has an outer layer made of steel, inside a first inner layer made of a ceramic mat and inside again a second inner layer of steel.
Bevorzugt ist die Keramikmatte 0,5 bis 1 mm dick und bis 1400"C wärmebeständig.The ceramic mat is preferably 0.5 to 1 mm thick and heat-resistant up to 1400 ° C.
Durch diese in Sandwich-Bauweise hergestellte Hohlwelle, die bevorzugt durch Aufeinanderpressen zweier Stahlrohre mit dazwischenliegender Keramikmatte hergestellt wird, ergibt sich ein besonders leichtes Getriebeelement mit geringem Trägheitsmoment und hoher Dämpfungsfähigkeit für mechanische Schwingungen, insbesondere Körperschallschwingungen.This hollow shaft, which is manufactured in sandwich construction, is preferred by pressing two steel tubes with a ceramic mat in between is produced, there is a particularly light transmission element with little Moment of inertia and high damping ability for mechanical vibrations, in particular Structure-borne vibrations.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.Further advantages emerge from the description and the attached Drawing.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale jeweils für sich alleine wie auch in anderen Kombinationen verwendet werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the above and those below features still explained in each case on their own as well as in other combinations can be used without departing from the scope of the present invention.
Es versteht sich ferner, daß die vorstehend genannten Getriebeelemente lediglich als Beispiele zu verstehen sind und daß sich die Erfindung ebenso vorteilhaft bei anderen Maschinenteilen einsetzen läßt, bei denen eine Gewichtsverminderung und Körperschalldämpfung erwünscht ist.It is also understood that the aforementioned transmission elements are to be understood only as examples and that the invention is just as advantageous can be used for other machine parts where a weight reduction and structure-borne noise damping is desired.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht eines scheibenförmigen erfindungsgemäßen Zahnrades; Fig. 2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie II-II von Fig. 1; Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Getriebe- Hohlwelle; Fig. 4 radiale Schnittdarstellungen zweier Ausführungs-und 5 beispiele von Getriebe- Hohlwellen gemäß Fig. 3.The invention is illustrated in the drawing and is described in the following Description explained in more detail. 1 shows a side view of a disk-shaped one gear wheel according to the invention; Fig. 2 is a sectional view along the line II-II of Fig. 1; 3 shows a longitudinal section through a hollow transmission shaft according to the invention; Fig. 4 radial sectional views of two embodiments and 5 examples of transmission Hollow shafts according to FIG. 3.
In den Fig. 1 und 2 ist 10 ein Zahnrad, wie es in einem Kraftfahrzeuggetriebe verwendet wird. Das Zahnrad 10 verfügt über einen Zahnkranz 11, der Zähne 12 sowie einen durchgehenden Zahngrund 13 aufweist. Der Zahnkranz 11 wird von einem Stützkörper 14 getragen, in dem er auf einer äußeren Felge 15 des Stützkörpers 14 sitzt. Eine innere Hülse 16 des Stützkörpers ist über Speichen 17 mit der Felge 15 verbunden.In Figs. 1 and 2, 10 is a gear as used in a motor vehicle transmission is used. The gear 10 has a ring gear 11, the teeth 12 as well has a continuous tooth base 13. The ring gear 11 is supported by a support body 14 worn by sitting on an outer rim 15 of the support body 14. One The inner sleeve 16 of the support body is connected to the rim 15 via spokes 17.
Die Hülse 16 umschließt eine Nabe 19, die an ihrer Innenseite beispielsweise mit einem Polygon-Profil 20 für ein Außen-Polygon-Profil oder aber auch mit Nuten für Klauen einer Getriebewelle versehen ist.The sleeve 16 encloses a hub 19, for example on its inside with a polygon profile 20 for an outer polygon profile or with grooves is provided for claws of a gear shaft.
Wie man aus der Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 erkennt, bestehen der Zahnkranz 11 und die Nabe 19 aus einem mechanisch hochbelastbaren Material, beispielsweise einem 16 MnCr 5 Werkzeugstahl. Die Nabe 19 kann dabei als Buchse in die Hülse 16 des Stützkörpers 14 eingepresst sein.As can be seen from the sectional view according to FIG. 2, exist the ring gear 11 and the hub 19 mechanically from one highly resilient Material, for example a 16 MnCr 5 tool steel. The hub 19 can be used as Bushing can be pressed into the sleeve 16 of the support body 14.
Im Gegensatz hierzu besteht der Stützkörper 14 mit Felge 15, Hülse 16 und Speichen 17 aus einem Leichtbaumaterial, insbesondere einem glasfaser- oder kohlefaserverstärkten Kunststoff.In contrast to this, the support body 14 consists of a rim 15, a sleeve 16 and spokes 17 made of a lightweight material, in particular a fiberglass or carbon fiber reinforced plastic.
In der oberen Hälfte von Fig. 2 sind mit einer strichpunktierten Linie zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele angedeutet. Oberhalb der strichpunktierten Linie ist angedeutet, daß die Speiche 17 massiv aus Leichtbaumaterial besteht, während unterhalb der strichpunktierten Linie 17 ein Hohlraum 18 angedeutet ist, der zu einer weiteren Gewichtsverminderung des Zahnrades 10 führt. Es versteht sich, daß im Bereich des aus Leichtbaumaterial bestehenden Stützkörpers 14 auch andere, an sich bekannte Versteifungstechniken mit Rippen und dergleichen zur Gewichtseinsparung verwendet werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.In the upper half of Fig. 2 are with a dash-dotted line two different embodiments indicated. Above the dash-dotted Line is indicated that the spoke 17 is made of solid lightweight material, while a cavity 18 is indicated below the dash-dotted line 17, which to a further reduction in weight of the gear 10 leads. It goes without saying that in the area of the support body 14 made of lightweight construction material, there are also others known stiffening techniques with ribs and the like to save weight can be used without departing from the scope of the present invention.
Fig. 3 zeigt im Längsschnitt eine Getriebe-Hohlwelle 30, die einen Hohlraum 31 umschließt.Fig. 3 shows a longitudinal section of a transmission hollow shaft 30, the one Enclosing cavity 31.
Die Getriebe-Hohlwelle 30 ist in Sandwich-Bauweise hergestellt und weist eine äußere Schicht 32, eine erste innere Schicht 33 sowie eine zweite innere Schicht 34 auf, die jeweils ineinander angeordnet sind.The gearbox hollow shaft 30 is made in sandwich construction and has an outer layer 32, a first inner layer 33 and a second inner layer Layer 34, which are each arranged one inside the other.
Auf dem Umfang der Getriebe-Hohlwelle 30 sind mit 35 und 36 zwei Sitze für Zahnräder, beispielsweise Zahnräder gemäß Fig. 1 und 2 angedeutet.On the circumference of the gearbox hollow shaft 30 are two seats with 35 and 36 for gears, for example gears according to FIGS. 1 and 2 indicated.
Fig. 4 zeigt in einer ersten Variante einen radialen Querschnitt durch eine nach Art der Getriebe-Hohlwelle 30 aufgebaute Hohlwelle 30a, die einen Hohlraum 31a umschließt. Die Schichten sind bei diesem Ausführungsbeispiel mit 32a, 33a und 34a bezeichnet.In a first variant, FIG. 4 shows a radial cross section through a hollow shaft 30a constructed in the manner of the transmission hollow shaft 30, which has a cavity 31a encloses. The layers are in this embodiment with 32a, 33a and 34a.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 sind am Umfang der Hohlwelle 30a im Bereich der Sitze für Zahnräder Klauen 37 vorgesehen, die in entsprechende Nuten in der Nabe der Zahnräder eingreifen.In the embodiment of FIG. 4 are on the circumference of the hollow shaft 30a provided in the area of the seats for gears claws 37, which are in corresponding Grooves engage in the hub of the gears.
Demgegenüber zeigt Fig. 5 einen radialen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Getriebe-Hohlwelle 30b, die einen Hohlraum 31b umschließt und Schichten 32b, 33b, 34b aufweist.In contrast, FIG. 5 shows a radial section through an exemplary embodiment a hollow gear shaft 30b, which encloses a cavity 31b and layers 32b, 33b, 34b.
Die Hohlwelle 30b ist an ihrem Umfang mit einem Polygon-Profil 38 versehen, das beispielsweise der Form des Polygon-Profils 20 des Zahnrades 10 gemäß Fig. 1 und 2 angepaßt ist.The hollow shaft 30b has a polygonal profile 38 on its circumference provided, for example, the shape of the polygonal profile 20 of the gear 10 according to Fig. 1 and 2 is adapted.
Den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 3 bis 5 ist gemeinsam, daß die äußere Schicht 32 bzw. 32a bzw. 32b aus einem hochbelastbaren metallischen Werkstoff, beispielsweise einem Werkzeugstahl, besteht. Die erste innere Schicht 33 bzw. 33a bzw. 33b besteht hingegen aus Leichtbaumaterial, insbesondere einer Keramik, vorzugsweise einer Keramikmatte, die bevorzugt eine Dicke von 0,5 bis 1 mm hat und bis 1400° wärmebeständig ist, so daß die Welle 30 bzw. 30a bzw. 30b nach dem mechanischen Bearbeiten gehärtet werden kann.The embodiments according to FIGS. 3 to 5 have in common that the outer layer 32 or 32a or 32b made of a heavy-duty metallic material, for example a tool steel. The first inner layer 33 or 33a or 33b, on the other hand, consists of lightweight construction material, in particular a ceramic, preferably a ceramic mat that preferably has a thickness of 0.5 to 1 mm and is heat resistant up to 1400 °, so that the shaft 30 or 30a or 30b after mechanical machining can be hardened.
Die zweite innere Schicht 34 bzw. 34a bzw. 34b besteht hingegen wieder aus einem metallischen Werkstoff.The second inner layer 34 or 34a or 34b, however, exists again made of a metallic material.
Man kann die Hohlwellen 30 bzw. 30a bzw. 30b so herstellen, daß man zwei metallische Rohre mit dazwischenliegender Keramikmatte verwendet, die dann bei spanloser Verformung in die Form gemäß einer der Fig. 3 bis 5 gebracht wird.The hollow shafts 30 or 30a or 30b can be produced in such a way that two metallic tubes with a ceramic mat in between, which then is brought into the shape according to one of FIGS. 3 to 5 in the case of non-cutting deformation.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8131 | Rejection |