WO2009059589A1 - Kupplungselement zur übertragung von drehmomenten sowie eine antriebseinheit mit dem kupplungselement - Google Patents

Kupplungselement zur übertragung von drehmomenten sowie eine antriebseinheit mit dem kupplungselement Download PDF

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WO2009059589A1
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WO
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tooth
coupling element
toothing
hub
longitudinal section
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PCT/DE2008/001814
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Langer
Sebastian Lorenz
Peter Niebling
Original Assignee
Schaeffler Kg
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    • F16D1/00—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
    • F16D1/06—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end
    • F16D1/076—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end by clamping together two faces perpendicular to the axis of rotation, e.g. with bolted flanges
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    • Y10T403/00—Joints and connections
    • Y10T403/70—Interfitted members
    • Y10T403/7045—Interdigitated ends

Definitions

  • the invention relates to a coupling element for transmitting torques about an axis of rotation aligned in an axial direction with a spur gear having a plurality of teeth, wherein each tooth is triangular in a longitudinal section along the circumferential direction, so that two tooth flanks are formed in a tooth tip area end.
  • the invention further relates to a drive unit with the coupling element.
  • the rotationally fixed coupling is usually by a radial toothing, ie a toothing, in which the teeth are directed radially inward or outward, implemented, wherein a radial toothing of the propeller shaft engages in a radial counter-toothing of the hub.
  • a radial toothing ie a toothing, in which the teeth are directed radially inward or outward, implemented, wherein a radial toothing of the propeller shaft engages in a radial counter-toothing of the hub.
  • the PTO shaft and hub are pushed into each other and axially braced.
  • it is known in the radial toothing for torque transmission that it can come to function or comfort problems during operation between hub or wheel flange and propeller shaft due to the teeth play.
  • a coupling element for transmitting torques about an axis of rotation aligned in an axial direction.
  • the coupling element can be designed as any intermediate or end member may be formed in a kinematic chain, preferably, the coupling element is realized as a hub, in particular wheel hub and / or as a fixed joint or Losgelenk.
  • the coupling element has an end toothing, which may be attached in any manner to the coupling element, preferably on the coupling element on or is formed.
  • the spur toothing is arranged in the direction of rotation about the axis of rotation, wherein it is preferably provided that it extends in a radial plane perpendicular to the axis of rotation in a concentric arrangement with respect to the axis of rotation.
  • the spur toothing can also form a surface which is arranged obliquely opposite the axis of rotation.
  • the spur toothing shows a plurality of teeth, wherein each tooth in a longitudinal section, in particular in a development along the circumferential direction is formed like a triangle, wherein the sides of the triangle are formed by the tooth flanks, which meet in a tooth tip region.
  • each tooth in a longitudinal section, in particular in a development along the circumferential direction is formed like a triangle, wherein the sides of the triangle are formed by the tooth flanks, which meet in a tooth tip region.
  • the meaning of the term "triangle-like" is preferably exhausted in that two tooth flanks of a tooth meet in a region of the tooth tip.
  • At least one, preferably both, of the tooth flanks be or are formed to be spherical in the said longitudinal section in the circumferential direction in comparison to an imaginary, straight reference tooth surface.
  • This inventive design of the coupling element leads to the effect that after an axial clamping of the coupling element with a counter element with counter teeth a uniform wear of the tooth flanks, in particular with a homogenized pressure distribution in the surface extension of the tooth flanks is achieved.
  • this effect is compared to a spur toothing with straight tooth flanks realized.
  • the contact between toothing and counter toothing is geometrically overdetermined due to the large number of possible points of contact between the toothing and the counter toothing.
  • the inventively proposed particular light crown of the tooth flanks allows setting the teeth on the counter teeth in such a way that more prominent points of contact are lowered in the crowned area by a plastic or elastic deformation, so that the teeth uniformly over a plurality of points of contact on the Counter toothing touches down.
  • the contours of the teeth are thus equal to each other by the setting process.
  • the crown in said longitudinal section, is symmetrical or approximately symmetrical, so that a center of the crown is located in a central region on the tooth flank.
  • the tooth flank is formed in the radial extent so that the center points of the crowning line up in a line which defines a straight line which extends through the axis of rotation of the coupling element.
  • the centers lie on a radial plane perpendicular to the axis of rotation.
  • the actual tooth flank in the said longitudinal section deviates from the straight reference tooth flank by a maximum deviation which is at least 0.005 mm or 0.01 mm, preferably at least 0.1 mm and at most 0 , 9 mm, preferably not more than 0.5 mm and in particular not more than 0.3 mm.
  • the additional material is sufficient to achieve the desired effect of a homogenized stress distribution.
  • each tooth circumscribes a triangle, which intersect in an imaginary extension of the triangle legs of adjacent teeth or triangles, so that the triangles of adjacent teeth are lined up next to each other without interruption.
  • all triangles or teeth are the same.
  • the maximum deviation of the tooth flank defined above with respect to the straight reference tooth flank can now optionally be described as a function of the triangle height or the triangle width.
  • the triangle height is in relation to the tooth height
  • the triangular width describes the tooth width in the direction of rotation.
  • the coupling element is preferably designed such that the ratio between the maximum deviation of the tooth flank in longitudinal section with respect to the reference tooth flank and the triangle height is at least 0.005: 5, preferably at least 0.1: 5, in particular at least 0.3: 5 and / or at most 0.9: 5, preferably at most 0.5: 5 and in particular at most 0.3: 5.
  • the ratio between the maximum deviation of the tooth flank in longitudinal section with respect to the reference tooth flank and the triangular width may be at least 0.005: 5, preferably at least 0.1: 5, in particular at least 0.3: 5 and / or at most 0.9: 5, preferably not more than 0.5: 5 and in particular not more than 0.3: 5.
  • a tooth is formed so that the tooth tip region is rounded and preferably with a radius between 0.1 mm and 3 mm.
  • the rounded head area extends over at least 20% of the triangle height and / or the tooth length in the radial direction.
  • the tooth length in the radial direction is for example about 10 mm.
  • a typical tooth opening angle is preferably between 40 ° and 60 °, in particular 55 °.
  • the tooth spaces between the teeth are preferably also rounded, wherein these are dimensioned so that in an assembled state, a free space between the tooth tip region of the counter teeth and the bottom of the tooth spaces of the spur gearing remains.
  • the coupling element is designed as a hub element, which is provided for example in driven vehicle wheels for transmitting the drive torque to the wheels of the motor vehicle.
  • the hub member is formed as an integral or einmaterialiges element with an integrally formed wheel flange and / or with an integrally formed brake disc or Bremsscalenflansch as an integrated component.
  • the hub element or the integrated component is realized as an inner ring, on which roll the rolling elements of a wheel bearing and / or has a carrier area for such an inner ring.
  • the coupling element is designed as a wheel bearing unit.
  • Another object of the invention relates to a drive unit with a hub member according to any one of the preceding claims or as just described and with a propeller shaft or coupled to the propeller shaft intermediate element - collectively referred to below as the propeller shaft -, wherein the propeller shaft has a counter-end toothing in the mounted state engages the spur gear of the hub element for rotationally fixed connection.
  • the engaging end portion of the propeller shaft is preferably formed as a joint bell.
  • the inventive design of the spur toothing ensures that - as already described above - spur toothing and counter-front toothing mesh with one another with a homogeneous pressure distribution.
  • the counter-end toothing can be formed in a manner analogous to the spur toothing with a crowned edge contour.
  • the counter-end toothing on straight tooth flanks wherein the improved pressure distribution is achieved only by the crown of the spur gear teeth of the hub element.
  • the crowned flank contour on the counter-toothing and the straight edge contour on the spur toothing of a coupling element or the drive unit according to the further object of the invention is arranged.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a drive unit as an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section along the direction of rotation of an end toothing of the drive unit in FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a drive unit 1 in a schematic sectional view as an embodiment of the invention, which z. B. is used to drive a wheel in a motor vehicle.
  • the drive unit has a joint bell 2 and a hub unit 3, which are rotatably connected to each other via an axial toothing 4 by the joint bell 2 and hub unit 3 in the axial direction via a Central screw 5 with a force of 60 kN to 200 kN, preferably between 90 kN and 120 kN into each other and braced with each other.
  • the hub unit 3 is designed as a one-piece, highly integrated wheel bearing assembly, wherein the hub unit 3 comprises an integrally formed flange 6 for a brake disk or a rim and an inner raceway 7 for a first ball row of a wheel bearing 8.
  • the mutually braced assembly hub unit 3 and joint bell 2 are rotatably mounted about the wheel bearing 8 relative to a vehicle stationary flange 9 about a rotation axis 10.
  • the hub unit 3 has a spur toothing 11, which is introduced into the hub unit 3, for example, by a forming process or a removing process, in particular a cutting process. More specifically, the spur gear 11 is formed in a free end portion of the hub unit 3, which is formed as a radially outwardly folded collar 12 or collar extending in the radial direction. On the front toothing 11 facing away from the end face of the collar 12, a circumferential recess is introduced into the hub unit 3, in which an inner ring 13 for the second row of balls of the wheel bearing 8 is inserted. The collar 12 is thus supported in the axial direction via the inserted inner ring 13 on the hub unit 3.
  • the spur gear 11 is in engagement with a counter-toothing 14, which-for example, via a forming process - is formed in the joint bell 2.
  • the axial toothing 4 is arranged concentrically to the axis of rotation 10 and extends in a direction perpendicular to the axis of rotation 10 aligned radial plane.
  • the outer diameter of the axial toothing 4 is about 30 mm to 100 mm.
  • FIG. 2 shows a section of the unwinding of the spur toothing 11 in the direction of rotation about the axis of rotation 10 (FIG. 1) in the radially outer region of the axial toothing 4.
  • FIG. 2 shows three teeth 15 of the spur gear teeth 11, wherein the shape of the teeth 15 in the radial direction or flight remain constant or substantially constant, but the dimension or size of the teeth 12 is designed decreasing in this direction.
  • the spur toothing 11 is realized as a so-called Hirth toothing, the teeth of the spur toothing 11 being wedge-shaped in the ideal form in such a way that radially extending geometric lines of the spur toothing 11 converge centrally at a common point on the axis of rotation 10 and the teeth 15 thus extend in the radial direction on the axis of rotation 10.
  • the head region 16 and the gap region 18 are designed to be uniform in longitudinal section when the front toothing 11 is realized in the radial direction relative to the axis of rotation 10, wherein the flank region 17 decreases in flank height in the radial direction to the axis of rotation 10.
  • the head region 16 occupies approximately 20% of the total height H of one of the teeth 15.
  • the rounding of the head region 16 is pronounced over at least approximately 20% of the tooth length. Either the expression extends over the entire tooth length or over a maximum of 60%, in particular a maximum of 40% of the tooth length.
  • triangles 19 are shown in the figure, which are respectively adapted to the teeth 15.
  • the triangles 19 thereby define a tooth height H, a tooth width B and two reference tooth flanks 20 a and 20 b.
  • the width B of one of the teeth 15 is about 4 mm
  • the height H is about 3 mm.
  • the flank region 17 is designed to be spherical with respect to the reference tooth flank 20 a, the maximum difference in the longitudinal section between reference tooth flank and flank region 17 being 0.005 mm to 0.90 mm.
  • each of the flank regions 17 carries such a crown.
  • the center M of the crowning is arranged approximately centrally to the flank region 17, wherein in the radial extent a center line is formed, which is arranged in a radial plane perpendicular to the axis of rotation 10 and / or the axis of rotation 10 intersects.
  • the toothed teeth 11 and the counter toothing 14 are initially in an over-defined manner, so that a multiplicity of contact points or lines are formed between the spur toothing 11 and the counter toothing 14.
  • each flank 17 of the teeth 15 of the face toothing 11 contacts the corresponding counter flank of the counter toothing 14 after a setting operation of the face toothing 11 and the counter toothing 14.
  • the resulting assembly hub unit 3 and joint bell 2 thus transmits the torques about the axis of rotation 10 over a plurality of points of contact, lines and surfaces, so that a local overload of the hub unit 3 and the joint bell 2 in the region of the spline 4 and thus a premature wear in the area is prevented.

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Abstract

Zur Momentenübertragung, zum Beispiel zwischen einer Gelenkwelle und einer Nabe bei einem angetriebenen Kraftfahrzeugrad ist es notwendig, Gelenkwelle bzw. ein entsprechendes Zwischenstück und die Nabe drehfest miteinander zu koppeln. Hierzu wird ein Kupplungselement (3), insbesondere Nabenelement, zur Übertragung von Drehmomenten um eine in einer axialen Richtung ausgerichteten Drehachse (10) mit einer Stirnverzahnung (11), die sich in Umlaufrichtung um die Drehachse (10) erstreckt, vorgeschlagen, wobei die Stirnverzahnung (11) eine Mehrzahl von Zähnen (15) aufweist, wobei jeder Zahn (15) in einem Längsschnitt längs der Umlaufrichtung dreiecksähnlich ausgebildet ist, so dass zwei Zahnflanken (17) gebildet sind, die in einem Zahnkopfbereich (16) enden, und wobei mindestens eine der Zahnflanken (15) im Längsschnitt gegenüber einer gedachten, geraden Referenzzahnflanke (20a, b) ballig ausgebildet ist.

Description

Kupplungselement zur Übertragung von Drehmomenten sowie eine Antriebseinheit mit dem Kupplungselement
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Kupplungselement zur Übertragung von Drehmomenten um eine in einer axialen Richtung ausgerichteten Drehachse mit einer Stirnverzahnung, die eine Mehrzahl von Zähnen aufweist, wobei jeder Zahn in einem Längsschnitt längs der Umlaufrichtung dreiecksähnlich ausgebildet ist, so dass zwei Zahnflanken gebildet sind, die in einem Zahnkopfbereich enden. Die Erfindung betrifft im Weiteren eine Antriebseinheit mit dem Kupplungselement.
Zur Momentenübertragung, zum Beispiel zwischen einer Gelenkwelle und einer Nabe bei einem angetriebenen Kraftfahrzeugrad ist es notwendig, Gelenkwelle bzw. ein entsprechendes Zwischenstück und die Nabe drehfest miteinander zu koppeln. Die drehfeste Kopplung wird üblicherweise durch eine Radialverzahnung, also eine Verzahnung, bei der die Zähne radial nach innen bzw. nach außen gerichtet sind, umgesetzt, wobei eine radiale Verzahnung der Gelenkwelle in eine radiale Gegenverzahnung der Nabe eingreift. Bei der Montage werden Gelenkwelle und Nabe ineinander geschoben und axial verspannt. Es ist jedoch bei der Radialverzahnung zur Momentenübertragung bekannt, dass es zwischen Nabe bzw. Radflansch und Gelenkwelle aufgrund des Verzahnungsspiels zu Funktions- oder Komfortproblemen im Betrieb kommen kann.
Ein anderes Konzept zur Verzahnung von Gelenkwelle bzw. Zwischenstück und Nabe wird in der Druckschrift DE 10 2005 009 939 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, in Form einer Stirnverzahnung für eine antreibbare Radnabe offenbart. Statt einer Radialverzahnung wird in dieser Druckschrift eine Stirnverzahnung vorgeschlagen, welche einerseits in die Radnabe eingeformt und andererseits als Gegenverzahnung in die Gelenkwelle eingebracht ist. Bei der Montage werden Gelenkwelle und Radnabe miteinander in axialer Richtung verspannt, so dass sich ein Form-Kraft- schluss zwischen diesen Komponenten bildet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kupplungselement zur Übertragung von Drehmomenten mit einer Stirnverzahnung vorzuschlagen, welches sich durch Funktionsvorteile auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch ein Kupplungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Der Erfindung folgend wird ein Kupplungselement zur Übertragung von Drehmomenten um eine in einer axialen Richtung ausgerichteten Drehachse vorgeschlagen. Das Kupplungselement kann als ein beliebiges Zwischen- oder Endelement in einer kinematischen Kette ausgebildet sein, bevorzugt ist das Kupplungselement als Nabe, insbesondere Radnabe und/oder als Festgelenk oder Losgelenk realisiert.
Das Kupplungselement weist eine Stirnverzahnung auf, die in beliebiger Weise an dem Kupplungselement befestigt sein kann, bevorzugt an dem Kupplungselement an- bzw. eingeformt ist. Die Stirnverzahnung ist in Umlaufrichtung um die Drehachse angeordnet, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass diese sich in einer Radialebene senkrecht zur Drehachse in konzen- trischer Anordnung zu der Drehachse erstreckt. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann die Stirnverzahnung jedoch auch eine Fläche bilden, welche gegenüber der Drehachse schiefwinklig angeordnet ist.
Die Stirnverzahnung zeigt eine Mehrzahl von Zähnen, wobei jeder Zahn in einem Längsschnitt, insbesondere in einer Abwicklung entlang der Umlaufrichtung dreiecksähnlich ausgebildet ist, wobei die Seiten des Dreiecks durch die Zahnflanken gebildet sind, welche sich in einem Zahnkopfbereich treffen. Der Sinn des Begriffs „dreiecksähnlich" erschöpft sich vorliegend vorzugsweise darin, dass sich zwei Zahnflanken eines Zahns in einem Zahnkopfbe- reich treffen.
Der Erfindung folgend wird vorgeschlagen, dass mindestens eine, bevorzugt beide der Zahnflanken im besagten Längsschnitt in Umlaufrichtung im Vergleich zu einer gedachten, geraden Referenzzahnfläche ballig ausgebildet ist bzw. sind.
Diese erfinderische Ausbildung des Kupplungselements führt zu der Wirkung, dass nach einer axialen Verspannung des Kupplungselements mit einem Gegenelement mit Gegenverzahnung ein gleichmäßiges Tragen der Zahnflanken, insbesondere mit einer homogenisierten Druckverteilung in der Flächenerstreckung der Zahnflanken erreicht wird. Insbesondere wird diese Wirkung im Vergleich zu einer Stirnverzahnung mit geraden Zahnflanken realisiert. Bei einer Stirnverzahnung mit geraden Zahnflanken ist aufgrund der Vielzahl der möglichen Berührungspunkte zwischen der Verzahnung und der Gegenverzahnung der Kontakt zwischen Verzahnung und Gegenverzahnung geometrisch überbestimmt. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene ins- besondere leichte Balligkeit der Zahnflanken erlaubt ein Setzen der Verzahnung auf der Gegenverzahnung in der Weise, dass stärker herausragende Berührungspunkte im balligen Bereich durch eine plastische oder elastische Verformung abgesenkt werden, so dass die Verzahnung gleichmäßig über eine Vielzahl von Berührungspunkten auf der Gegenverzahnung aufsetzt. Die Konturen der Verzahnungen gleichen sich somit durch den Setzvorgang aneinander an.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist im besagten Längsschnitt die Balligkeit symmetrisch oder annähernd symmetrisch ausgeprägt, so dass sich ein Mittelpunkt der Balligkeit in einem zentralen Bereich auf der Zahnflanke befindet. Besonders bevorzugt ist die Zahnflanke in radialer Erstreckung so ausgebildet, dass sich die Mittelpunkte der Balligkeit in einer Linie aufreihen, welche eine Gerade definiert, die durch die Drehachse des Kupplungselements verläuft. Insbesondere liegen die Mittelpunkte auf einer Radi- alebene senkrecht zu der Drehachse.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, insbesondere in Form einer Radlagereinheit, weicht die tatsächliche Zahnflanke im besagten Längsschnitt gegenüber der geraden Referenzzahnflanke um eine Maximal- abweichung ab, welche mindestens 0,005 mm oder 0,01 mm, vorzugsweise mindestens 0,1 mm und maximal 0,9 mm, vorzugsweise maximal 0,5 mm und insbesondere maximal 0,3 mm beträgt. Bei dieser Bemessung für ein übliches Kupplungselement mit einem Durchmesser im Bereich der Stirnverzahnung von ca. 30 bis 100 mm ist das zusätzliche Material ausreichend, um den gewünschten Effekt einer homogenisierten Belastungsverteilung zu erreichen. Wird die Geometrie der Zähne der Stirnverzahnung etwas abstrakter beschrieben, so umschreibt jeder Zahn ein Dreieck, wobei sich in gedachter Verlängerung die Dreiecksschenkel benachbarter Zähne bzw. Dreiecke schneiden, so dass die Dreiecke benachbarter Zähne unterbrechungsfrei nebeneinander gereiht sind. Vorzugsweise sind sämtliche Dreiecke bzw. Zähne gleich ausgebildet.
In dieser abstrakten Darstellung kann nun die oben definierte Maximalabweichung der Zahnflanke gegenüber der geraden Referenzzahnflanke optional in Abhängigkeit der Dreieckshöhe bzw. der Dreiecksbreite beschrieben werden. Die Dreieckshöhe steht dabei in Relation mit der Zahnhöhe, die Dreiecksbreite beschreibt die Zahnbreite in Umlaufrichtung.
Vorzugsweise ist das Kupplungselement nach einer allgemeineren Definition so gestaltet, dass das Verhältnis zwischen der Maximalabweichung der Zahnflanke im Längsschnitt gegenüber der Referenzzahnflanke und der Dreieckshöhe mindestens 0,005:5, vorzugsweise mindestens 0,1 :5, insbesondere mindestens 0,3:5 und/oder maximal 0,9:5, vorzugsweise maximal 0,5:5 und insbesondere maximal 0,3:5 beträgt.
Alternativ oder ergänzend dazu kann das Verhältnis zwischen der Maximalabweichung der Zahnflanke im Längsschnitt gegenüber der Referenzzahnflanke und der Dreiecksbreite mindestens 0,005:5, vorzugsweise mindestens 0,1 :5, insbesondere mindestens 0,3:5 und/oder maximal 0,9:5, vorzugsweise maximal 0,5:5 und insbesondere maximal 0,3:5 betragen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird ein Zahn so gebildet, dass der Zahnkopfbereich gerundet ausgebildet ist und zwar vorzugsweise mit einem Radius zwischen 0,1 mm und 3 mm. Ergänzend ist vorgesehen, dass sich der verrundete Kopfbereich über mindestens 20 % der Dreieckshöhe und/oder der Zahnlänge in radialer Richtung erstreckt. Diese Verrun- dung erlaubt eine vereinfachte Montage der Stirnverzahnung mit einer Ge- genverzahnung, da die jeweilig korrespondierenden Zähne beim Zusammenbau nicht blockieren. Die Zahnlänge in radialer Richtung beträgt beispielsweise ca. 10 mm. Ein typischer Zahnöffnungswinkel beträgt vorzugsweise zwischen 40° und 60°, insbesondere 55°. Die Zahnlücken zwischen den Zähnen sind vorzugsweise ebenfalls gerundet ausgebildet, wobei diese so dimensioniert sind, dass in einem zusammengebauten Zustand ein freier Zwischenraum zwischen dem Zahnkopfbereich der Gegenverzahnung und dem Grund der Zahnlücken der Stirnverzahnung verbleibt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kupplungselement als ein Nabenelement ausgebildet, welches beispielsweise bei angetriebenen Kraftfahrzeugrädern zur Übertragung des Antriebsmoments auf die Räder des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Nabenelement als einstückiges oder einmaterialiges Element mit einem angeformten Radflansch und/oder mit einer angeformten Bremsscheibe bzw. Bremsscheibenflansch als integriertes Bauteil ausgebildet. Optional oder ergänzend ist das Nabenelement bzw. das integrierte Bauteil als Innenring realisiert, auf dem die Wälzkörper eines Radlagers abwälzen und/oder weist einen Trägerbereich für einen derartigen Innenring auf. Insbesondere ist das Kupplungselement als eine Radlagereinheit ausgebildet.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit einem Nabenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder wie es soeben beschrieben wurde und mit einer Gelenkwelle oder ein mit der Gelenkwelle verkoppelten Zwischenelement - nachfolgend zusammenfassend als Gelenkwelle benannt -, wobei die Gelenkwelle eine Gegenstirnverzahnung aufweist, die im montierten Zustand in die Stirnverzahnung des Nabenele- ments zur drehfesten Verbindung eingreift. Der eingreifende Endabschnitt der Gelenkwelle ist vorzugsweise als Gelenkglocke ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Stirnverzahnung wird erreicht, dass - wie bereits oben beschrieben - Stirnverzahnung und Gegenstirnver- zahnung mit einer homogenen Druckverteilung ineinander greifen.
Prinzipiell kann die Gegenstirnverzahnung in analoger Weise wie die Stirnverzahnung mit einer balligen Flankenkontur ausgebildet sein. Bei einer kostengünstigen und deshalb bevorzugten Ausführungsform weist jedoch die Gegenstirnverzahnung gerade Zahnflanken auf, wobei die verbesserte Druckverteilung nur durch die Balligkeit der Stirnverzahnung des Nabenele- ments erreicht wird. Bei wieder anderen Ausführungsformen, insbesondere aber nicht ausschließlich in Hinblick auf den ersten Gegenstand der Erfindung, ist die ballige Flankenkontur auf der Gegenverzahnung und die gerade Flankenkontur auf der Stirnverzahnung eines Kupplungselements oder der Antriebseinheit gemäß dem weiteren Gegenstand der Erfindung angeordnet.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Antriebseinheit als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 einen schematischen Längsschnitt entlang der Umlaufrichtung einer Stirnverzahnung der Antriebseinheit in Figur 1.
Die Figur 1 zeigt eine Antriebseinheit 1 in einer schematischen Schnittdarstellung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welche z. B. zum Antrieb eines Rades bei einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird.
Die Antriebseinheit weist eine Gelenkglocke 2 und eine Nabeneinheit 3 auf, welche über eine Axialverzahnung 4 miteinander drehfest verbunden sind, indem Gelenkglocke 2 und Nabeneinheit 3 in axialer Richtung über eine Zentralschraube 5 mit einer Kraft von 60 kN bis 200 kN, vorzugsweise zwischen 90 kN und 120 kN ineinander und miteinander verspannt sind.
Die Nabeneinheit 3 ist als eine einstückige, hochintegrierte Radlagerbauein- heit ausgebildet, wobei die Nabeneinheit 3 einen einstückig angeformten Flansch 6 für eine Bremsscheibe oder eine Felge sowie eine Innenringauf- laufbahn 7 für eine erste Kugelreihe eines Radlagers 8 umfasst.
Die miteinander verspannte Baugruppe Nabeneinheit 3 und Gelenkglocke 2 sind über das Radlager 8 relativ zu einem fahrzeugstationären Flansch 9 um eine Drehachse 10 drehbar gelagert.
Im Bereich der Axialverzahnung 4 weist die Nabeneinheit 3 eine Stirnverzahnung 11 auf, welche beispielsweise durch einen Umformprozess oder einen abtragenden Prozess, insbesondere spanenden Prozess in die Nabeneinheit 3 eingebracht ist. Genauer gesagt ist die Stirnverzahnung 11 in einem freien Endbereich der Nabeneinheit 3 eingeformt, die als nach radial außen umgeschlagener Kragen 12 oder Bund ausgebildet ist, der sich in radialer Richtung erstreckt. Auf der der Stirnverzahnung 11 abgewandten Stirnseite des Kragens 12 ist eine umlaufende Ausnehmung in die Nabeneinheit 3 eingebracht, in die ein Innenring 13 für die zweite Reihe Kugeln des Radlagers 8 eingelegt ist. Der Kragen 12 stützt sich somit in axialer Richtung über den eingelegten Innenring 13 an der Nabeneinheit 3 ab.
Die Stirnverzahnung 11 steht im Eingriff mit einer Gegenverzahnung 14, welche -beispielsweise über einen Umformprozess - in die Gelenkglocke 2 eingeformt ist. Die Axialverzahnung 4 ist konzentrisch zu der Drehachse 10 angeordnet und verläuft in einer senkrecht zur Drehachse 10 ausgerichteten Radialebene. Der Außendurchmesser der Axialverzahnung 4 beträgt etwa 30 mm bis 100 mm. Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt der Abwicklung der Stirnverzahnung 11 in Umlaufrichtung um die Drehachse 10 (Figur 1) im radialäußeren Bereich der Axialverzahnung 4.
Der in Figur 2 dargestellte Ausschnitt zeigt drei Zähne 15 der Stirnverzahnung 11 , wobei die Form der Zähne 15 in radialer Richtung bzw. Flucht gleich bleibend oder im wesentlichen gleich bleibend, jedoch die Dimension oder die Größe der Zähne 12 in dieser Richtung abnehmend ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist die Stirnverzahnung 11 als eine so genannte Hirth-Ver- zahnung realisiert, wobei die Zähne der Stirnverzahnung 11 in der Idealform derart keilförmig ausgeprägt sind, dass radial verlaufende geometrische Linien der Stirnverzahnung 11 zentral in einem gemeinsamen Punkt auf der Drehachse 10 zusammentreffen und sich die Zähne 15 somit in radialer Richtung auf die Drehachse 10 erstrecken.
In einer Realform der Erfindung wird ein Zahn 15 durch einen verrundeten Kopfbereich 16 mit einem Radius R = 0,1 mm - 3,0 mm, Flankenbereichen 17 und einem ebenfalls gerundeten Lückenbereich 18 gebildet. Der Kopfbe- reich 16 und der Lückenbereich 18 sind bei einer Realisierung der Stirnverzahnung 11 in radialer Richtung zu der Drehachse 10 im Längsschnitt gleichbleibend ausgebildet, wobei der Flankenbereich 17 in radialer Richtung zu der Drehachse 10 hin in Flankenhöhe abnimmt. In dem in der Figur 2 gezeigten radialäußeren Bereich nimmt der Kopfbereich 16 ca. 20 % der Gesamthöhe H eines der Zähne 15. In radialer Erstreckung ist die Rundung des Kopfbereichs 16 über mindestens ca. 20% der Zahnlänge ausgeprägt. Entweder erstreckt sich die Ausprägung über die gesamte Zahnlänge oder über maximal 60%, insbesondere maximal 40% der Zahnlänge.
Mit gestrichelten Linien sind in der Figur 2 Dreiecke 19 eingezeichnet, welche jeweils an die Zähne 15 angepasst sind. Die Dreiecke 19 definieren dadurch eine Zahnhöhe H, eine Zahnbreite B und zwei Referenzzahnflanken 20 a und 20 b. Die Breite B eines der Zähne 15 beträgt ca. 4 mm, die Höhe H beträgt ca. 3 mm. Wie sich in der Figur 2 insbesondere bei der Darstellung von dem mittleren Zahn 15 gut entnehmen lässt, ist der Flankenbereich 17 gegenüber der Referenzzahnflanke 20 a ballig ausgebildet, wobei der Maxi- malunterschied in gezeigtem Längsschnitt zwischen Referenzzahnflanke und Flankenbereich 17 0,005 mm bis 0,90 mm beträgt. Insbesondere trägt jede der Flankenbereiche 17 eine derartige Balligkeit. Der Mittelpunkt M der Balligkeit ist in etwa mittig zu dem Flankenbereich 17 angeordnet, wobei in radialer Erstreckung eine Mittelpunktlinie gebildet wird, welche in einer Radial- ebene senkrecht zur Drehachse 10 angeordnet ist und/oder die Drehachse 10 schneidet.
Bei der Montage der Nabeneinheit 3 mit der Gelenkglocke 2 liegen Stimver- zahnung 11 und Gegenverzahnung 14 zunächst überdefiniert aneinander, so dass eine Vielzahl von Berührungspunkten bzw. -linien zwischen Stirnverzahnung 11 und Gegenverzahnung 14 gebildet werden.
Bei einem axialen Verspannen von Nabeneinheit 3 mit der Gelenkglocke 2 werden Stirnverzahnung 11 und Gegenverzahnung 14 zunächst derart zu- einander verpresst, dass sich radial gerichtete Berührungslinien zwischen den Verzahnungen ergeben. Doch auch diese Berührungslinien sind zunächst überdefiniert, so dass nicht jeder Zahn 15 der Stirnverzahnung 11 mit jedem Zahn der Gegenverzahnung 14 eine derartige Berührungslinie bildet.
Durch Erhöhung der axialen Kraft und durch eine teilweise plastische und teilweise elastische Verformung werden die bereits entstandenen Berührungslinien in Berührungsflächen umgebildet und zugleich zwischen bisher nicht berührenden Zähnen von Stirnverzahnung 11 und Gegenverzahnung 14 Berührungslinien bzw. -flächen gebildet. Idealerweise berühren sich nach einem Setzvorgang von Stirnverzahnung 11 und Gegenverzahnung 14 jede Flanke 17 der Zähne 15 der Stirnverzahnung 11 mit der korrespondierenden Gegenflanke der Gegenverzahnung 14.
Die daraus resultierende Baugruppe Nabeneinheit 3 und Gelenkglocke 2 überträgt folglich die Drehmomente um die Drehachse 10 über eine Vielzahl von Berührungspunkten, -linien und -flächen, so dass eine lokale Überlastung der Nabeneinheit 3 bzw. der Gelenkglocke 2 im Bereich der Axialverzahnung 4 und somit ein vorzeitiger Verschleiß in dem Bereich verhindert wird.
Bezugszeichenliste
1 Antriebseinheit
2 Gelenkglocke
3 Nabeneinheit
4 Axialverzahnung
5 Zentralschraube
6 Radflansch
7 Innenringlaufbahn
8 Radlager
9 Flansch
10 Drehachse
11 Stirnverzahnung
12 Kragen
13 Innenring
14 Gegenverzahnung
15 Zahn
16 verrundeter Kopfbereich
17 Flankenbereich
18 Lückenbereich
19 Dreieck
20 a, 20 b Referenzzahnflanke

Claims

Patentansprüche
1. Kupplungselement (3) zur Übertragung von Drehmomenten um eine in einer axialen Richtung ausgerichteten Drehachse (10)
mit einer Stirnverzahnung (11), die sich in Umlauf richtung um die Drehachse (10) erstreckt,
wobei die Stirnverzahnung (11) eine Mehrzahl von Zähnen (15) auf- weist, wobei jeder Zahn (15) in einem Längsschnitt längs der Umlaufrichtung dreiecksähnlich ausgebildet ist, so dass zwei Zahnflanken (17) gebildet sind, die in einem Zahnkopfbereich (16) enden,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine der Zahnflanken im Längsschnitt gegenüber einer gedachten, geraden Referenzzahnflanke (20a,b) ballig ausgebildet ist.
2. Kupplungselement (3) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Balligkeit so bemessen ist, dass nach einer axialen Verspannung der Stirnverzahnung (11) mit einer Gegenverzahnung (14) ein gleichmäßiges Tragen der Zahnflanken (17) und/oder ein gleichmäßi- geres Tragen gegenüber einer Stirnverzahnung mit geraden Zahnflanken (20a,b) erreicht wird.
3. Kupplungselement (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass im Längsschnitt ein Mittelpunkt der Balligkeit zentral und/oder mittig auf der Zahnflanke (17) angeordnet ist.
4. Kupplungselement (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnflanke (17) im Längsschnitt gegenüber der Referenzzahnflanke (20 a,b) eine Maximalabweichung von mindestens 0,005 mm, vorzugsweise von mindestens 0,1 mm, insbesondere von mindestens 0,3 mm und/oder von maximal 0,9 mm, vorzugsweise von maximal 0,5 mm, insbesondere von maximal 0,3 mm aufweist.
5. Kupplungselement (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Längsschnitt die Referenzzahnflanken (20a,b) eines Zahns in gedachter Verlängerung ein Dreieck (19) bilden, wobei Dreiecke benachbarter Zähne unterbrechungsfrei ne- beneinander gereiht sind.
6. Kupplungselement (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Maximalabweichung der Zahnflanke (17) im Längsschnitt gegenüber der Referenzzahnflanke (20a,b) und der Dreiecksbreite (B) mindestens 0,005:5, vorzugsweise mindestens
0,1 :5, insbesondere mindestens 0,3:5 und/oder maximal 0,9:5, vorzugsweise maximal 0,5:5 und insbesondere maximal 0,3:5 betragen.
7. Kupplungselement (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen Kopfkreisdurchmesser und Zahnflanke verrundet ist, vorzugsweise mit einem Radius von 0,1 bis 3 mm.
8. Kupplungselement (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der verrundete Kopfbereich (16) über mindestens 20% der Dreieckshöhe (H) und/oder der Zahnlänge erstreckt.
9. Kupplungselement (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Nabenelement.
10. Kupplungselement (3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Nabenelement (3) als einstückiges Element mit einem Rad- flansch (6) und/oder mit einer Innenringlaufbahn (7) und insbesondere als Radlagereinheit (1) ausgebildet ist.
11. Antriebseinheit (1) mit einem Nabenelement (3) nach einem der Ansprüche 9 oder 10 und mit einer Gelenkwelle (2) oder mit einem mit der Gelenkwelle verbundenem Zwischenelement - nachfolgend zusammenfassend Gelenkwelle genannt -, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkwelle (2) eine Gegenstirnverzahnung (14) aufweist, die im montierten Zustand in die Stimverzahnung (11 ) des Nabenelements (3) zur drehfesten Verbindung eingreift.
12. Antriebseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstirnverzahnung (14) gerade Zahnflanken aufweist.
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