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Dokumentenidentifikation DE102006026568A1 20.12.2007
Titel Geräuscharmes Zahnrad
Anmelder ZF Lenksysteme GmbH, 73527 Schwäbisch Gmünd, DE;
Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Bernhard, Werner, 73563 Mögglingen, DE;
Beutier, Olaf, Dr., 49356 Diepholz, DE;
Kaisser, Richard, 73116 Wäschenbeuren, DE;
Ratzel, Wolf-Ingo, 70771 Leinfelden-Echterdingen, DE;
Beiermeister, Bernd, 71711 Steinheim, DE;
Hielscher, Jörg, 73650 Winterbach, DE;
Kaesser, Jochen, 73663 Berglen, DE;
Hezel, Bruno, 70565 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 06.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006026568
Offenlegungstag 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse F16H 55/17(2006.01)A, F, I, 20060606, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16H 55/06(2006.01)A, L, I, 20060606, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein geräuscharmes Zahnrad in Verbundbauweise, insbesondere ein Schraubrad für einen Getriebemotor, mit einem ersten, wellenseitigen Nabenteil (2) und mit einem radial äußeren, einen Zahnkranz (3) tragenden Teil (4), wobei das wellenseitige Nabenteil (2) und das radial äußere, einen Zahnkranz (3) tragende Teil (4) des Zahnrades (1) drehfest und schiebefest mit einem innenliegenden Nabenteil (5) verbunden sind.
Um ein Zahnrad zu schaffen, das kostengünstig darstellbar ist und dessen Betriebsgeräusch minimiert ist, ist vorgesehen, dass das radial äußere, einen Zahnkranz (3) tragende Teil (4) einen kleineren Elastizitätsmodul aufweist wie das erste, wellenseitige Nabenteil (2) aus Stahl und das innenliegende Nabenteil (5).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein geräuscharmes Zahnrad in Verbundbauweise aus Kunststoff, insbesondere ein Schraubrad für einen Getriebemotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines geräuscharmen Zahnrades nach dem Oberbegriff des Anspruchs 19.

Die DE 298 21 840 U1 beschreibt ein Verbundzahnrad mit Stahl- oder Metallflanken die eine hochverschleißfeste Außenhaut bilden, wobei das Verbundzahnrad auf einer Nabe an einer Welle festlegbar ist. Radial zwischen der Nabe und der Außenhaut ist ein Kern- oder Füllstoffteil angeordnet, das zum einen eine Schwimmfähigkeit des Verbundzahnrades und zum anderen eine Geräuschdämpfung beim Betrieb des Zahnrads bewirkt.

Da das Verbundzahnrad große metallische Abstrahlflächen aufweisen kann, ist dessen Körperschallabstrahlung und Geräuschdämpfung nicht optimiert.

Die DE 101 27 224 A1 beschreibt ein Zahnrad, insbesondere für ein Schneckengetriebe, mit einer Metallscheibe mit einer mittigen Öffnung zur Aufnahme einer Welle und mit einem ringförmigen Kunststoffelement welches am Umfang der Metallscheibe mit dieser kraft- und formschlüssig verbunden angeordnet ist.

Das Kunststoffelement ist durch ein Gießverfahren mit der Metallscheibe verbunden, wobei von der Metallscheibe abstehende Rändelungen, Rippen, Zähne usw. den Formschluss an der Verbindungsstelle zwischen Metall und Kunststoff verbessern. Das Material für das ringförmige Kunststoffelement ist Polyamid, das an die Metallscheibe auch angespritzt werden kann und wobei gleichzeitig die Zähne eines Zahnkranzes des Zahnrades im Wesentlichen bereits ausgeformt werden können, sodass die Nachbearbeitung, bei der der Zahnkranz dann seine endgültige Form erreicht, minimiert werden kann.

Aus der wissenschaftlichen Literatur, beispielsweise aus „Geräuschverhalten und Geräuschminderung von Zahnriementrieben", U. Jansen, Fortschritt-Berichte VDI Nr. 136, ist bekannt, dass solche Maßnahmen der Kapselung von Metallscheiben mit geräuschdämpfenden Formmassen lediglich eine sehr geringe Geräuschreduzierung von Zahnrädern ermöglichen.

Die DE 101 27 224 A1 schlägt ferner vor, die starre Koppelung zwischen der das Zahnrad tragenden Welle und dem Zahnkranz des Zahnrades mit der Metallscheibe aufzulösen und eine elastisch nachgiebige Koppelung in radialer Richtung des Zahnrades vorzusehen. Dabei wird eine Abfolge von Metall- und Nichtmetallringen in einem als Verbundzahnrad gebildeten Zahnrad vorgeschlagen. Das Verbundzahnrad besteht somit aus einem ersten, wellenseitigen Nabenteil und einem radial äußeren, einen Zahnkranz tragenden Teil, wobei diese drehfest über ein innenliegendes Nabenteil verbunden sind. Die Elastizitätsmodule der gewählten Bauteile eines solchen Verbundzahnrades wechseln dabei über die radiale Erstreckung des Zahnrades willkürlich, bzw. steigen zum Zahnkranz des Verbundzahnrades an.

Eine ähnliche Abfolge von Materialkennwerten über die radiale Erstreckung eines Verbundzahnrades sieht die EP 0 619 445 B1 vor, die ein Verfahren zur Herstellung eines auf einer Welle befestigten, geräuscharm arbeitenden Zahnrades in Verbundbauweise, insbesondere eines auf einer Getriebewelle eines Getriebemotors befestigten Schneckenrades beschreibt.

Das Verbundzahnrad besteht aus einem wellenseitigen Nabenteil aus einem Thermoplast mit hohem Dämpfungsfaktor und geringer mechanischer Festigkeit und einem mit dem ersten Nabenteil verbundenen, zweiten äußeren Nabenteil mit einem Zahnkranz aus einem Thermoplast hoher mechanischer Festigkeit und mit geringem Dämpfungsfaktor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geräuscharmes Zahnrad in Verbundbauweise zu schaffen, das kostengünstig darstellbar ist und dessen Betriebsgeräusch minimiert ist.

Die Aufgabe wird mit einem geräuscharmen Zahnrad in Verbundbauweise, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst.

Dadurch dass das radial äußere, einen Zahnkranz tragende Teil einen kleineren Elastizitätsmodul aufweist, wie das erste, wellenseitige Nabenteil und das innenliegende Nabenteil, ist eine konstruktive Maßnahme getroffen, die durch die gegenseitige Abstimmung und Auswahl der Elastizitätsmodule der Werkstoffe der einzelnen Bauteile des geräuscharmen Zahnrades eine belastungsspezifische Abstufung des Materialverhaltens ermöglicht, die eine Überleitung des Kraftflusses aus dem Zahnkranz in den wellenseitigen Nabenteil homogen und geräuscharm ermöglicht, da auch im Temperaturgang im Betrieb des Zahnrades durch die gewählten verschiedenen Material-Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Bauteile die Vorspannung noch immer aufrechterhalten werden kann. Dadurch dass das geräuscharme Zahnrad in Verbundbauweise aus Kunststoff so gebildet wird, dass das radial zwischen das wellenseitige Nabenteil und das radial äußere, einen Zahnkranz tragende Teil ein innenliegendes Nabenteil mit Hilfe eines vorzugsweise Mehrkomponentenspritzgießverfahren zur formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verbindung des wellenseitigen Nabenteiles und des radial äußeren, einen Zahnkranz tragenden Teils nacharbeitsfrei geformt wird, erübrigt sich eine spanende Nacharbeitung des Zahnkranzes des geräuscharmen Zahnrades, wodurch dieses in wenigen Arbeitsschritten, kostengünstig und mit hoher Präzision herstellbar ist.

Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es ist zweckmäßig, die Elastizitätsmodule der Werkstoffe ausgehend vom ersten, wellenseitigen Nabenteil zum innenliegenden Nabenteil und zum äußeren, einen Zahnkranz tragenden Teil des Zahnrades stufenweise zu verringern, wodurch sich überraschend gezeigt hat, dass der Körperschall des Zahnrades reduziert wird. Die Einhaltung dieser konstruktiven Vorgaben lässt sich vorteilhaft auch auf ein Zahnrad in Verbundbauweise mit mehr als drei Bauteilen übertragen.

Das radial äußere, einen Zahnkranz tragende Teil weist bevorzugt eine größere Zähigkeit als das erste, wellenseitige Nabenteil auf, und weist einen geringen Gleitreibungskoeffizienten &mgr; gegenüber Stahl auf, der bevorzugt bei trockener Stoffpaarung etwa kleiner oder gleich 0,45 beträgt. Der Werkstoff aus dem der radial äußere, einen Zahnkranz tragenden Teil ist, ist bevorzugt ein amorpher Thermoplast oder ein teilkristalliner oder aliphatischer Polyamid- oder Polyetheretherketon-Kunststoff mit einem Elastizitätsmodul von vorzugsweise etwa 3 bis 5 GPa. Geeignet ist beispielsweise ein ungefüllter, unverstärkter Polyamid-66-Typ.

Kristallinität beschreibt den Anteil an orientierten Bereichen größerer Packungsdichte an Polymerketten in einem Thermoplasten. Mit steigender Kristallinität erhöhen sich die Festigkeits- und Steifigkeitswerte, sowie die Wärmeformbeständigkeit des Kunststoffs. Die teilkristallinen Thermoplaste liegen in ihrer Ordnung in kristallinen neben amorphen Zuständen vor.

Polyamide sind bekanntermaßen eine große Gruppe von Polykondensaten die ein breites Spektrum von Eigenschaften aufweisen können. Polyamide sind sehr zäh, abriebfest und schwingungsdämpfend. Sie sind im allgemeinen bis 120°C einsetzbar, schweiß- und klebbar, weisen eine mittlere Steifigkeit, geringe Härte, gute bis ausgezeichnete Schlagzähigkeit, sowie gute Gleit- und Verschleißeigenschaften auf.

Polyetheretherketon ist ein Polyaryletherketonkunststoff dessen Dauereinsatztemperatur bei etwa 240° liegt, wobei diese eine mittlere Teilkristallinität aufweisen. Sie weisen hohe Schlagzähigkeitswerte, sowie hohe mechanische Wechselfestigkeit, sowie gutes Gleit- und Verschleißverhalten auf.

Isotaktisches Polypropylen ist wegen seines regelmäßigen räumlichen Aufbaus in hohem Maße zur Kristallisation befähigt und eignet sich neben Polyamid-66 zur Herstellung des innenliegenden Nabenteils des Verbundzahnrades. Seine mechanischen und thermischen Eigenschaften werden durch Orientierung oder durch Zusatz von Glas-, Aramid- oder Keramikfasern verbessert. Das innenliegende Nabenteil kann u. a. mit diesem Werkstoff einen Elastizitätsmodul von etwa 8 bis 30 GPa erhalten.

Eine erhöhte Schlagzähigkeit des innenliegenden Nabenteils lässt sich auch bei Anwendung von Pfropfcopolymerisaten, das sind schlagzähmodifizierte, mit Kautschuk oder Elastomeren modifizierte Polyamide erzielen. Beispiele sind Polyamid 6/66, 6/11, 6/12, PVC, PVC-HI.

In Abhängigkeit von den gewählten Elastizitätsmodulen und Anwendungszwecken des Zahnrades kann es auch zweckmäßig sein, das innenliegende Nabenteil aus einem vorzugsweise strukturverstärkten Duroplasten zu bilden. Auch ein thermoplastischer Elastomer oder ein gefüllter Elastomer kann geeignet zur Herstellung des innenliegenden Nabenteils sein. Die thermoplastischen Elastomere, wie etwa Polyisobutylen, chloriertes Polyethylen u. a., sind in ihrer Härte, Elastizität, Steifigkeit und Festigkeit so einstellbar, dass sie als belastbare Konstruktions-Kunststoffe eingesetzt werden können.

Bei der Überleitung des Kraftflusses aus dem Zahnkranz über das innenliegende Nabenteil zu dem wellenseitigen Nabenteil wird darauf geachtet, dass die einzelnen Bauteile mit möglichst vielen Vor- und Rücksprüngen einen allmählichen Übergang ihrer Gestalt in das jeweils andere Bauteil ermöglichen. Wanddickensprünge, die Kerbspannungen erzeugen sind vermieden. Vorzugsweise ist das wellenseitige Nabenteil und das innenliegende Nabenteil und das radial äußere, einen Zahnkranz tragenden Teil in radialer und axialer Richtung des Zahnrades zur Übertragung von Drehmomenten in Umfangsrichtung formschlüssig und kraftschlüssig verbunden, wobei zwischen thermoplastischen Werkstoffen auch Stoffschlüssigkeit erzielt werden kann.

Das erfindungsgemäße geräuscharme Zahnrad eignet sich beispielsweise als Schraubrad in einem Schneckenradgetriebe eines Lenksystems, wobei der Zahnrad-Aufbau eine gewisse elastische Nachgiebigkeit des Zahnkranzes zuläßt, für einen optimierten Eingriff des Schneckenrades in den Zahnkranz. Damit sinkt auch der Geräuschpegel beim Arbeiten des Zahnrades und die Abnutzung des Zahnrades ist vermindert. Das wellenseitige Nabenteil ist aus einem Metallwerkstoff, wie etwa aus Stahl gebildet.

Das Zahnrad lässt sich bevorzugt so aufbauen, dass das radial äußere, einen Zahnkranz tragende Teil und das wellenseitige Nabenteil in eine Spritzgußform gelegt und das dazwischen angeordnete, innenliegende Nabenteil mittels Einspritzen von Kunststoff zur Verbindung der beiden Teile geformt wird. Vorzugsweise ist eine derartige Fertigung in einem Mehrkomponenten- Spritzgießverfahren zu realisieren. Ein Urformverfahren hoher Präzision, welches die Darstellung von Werkstücken in der IT-8 Toleranzklasse ermöglicht, sei als Beispiel genannt. Resultat ist in jedem Fall ein geräuscharmes, hochpräzises und nacharbeitsfreies Zahnrad Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.

1 zeigt einen perspektivischen Querschnitt durch ein geräuscharmes Zahnrad.

In 1 ist in einem perspektivischen Querschnitt ein geräuscharm arbeitendes Zahnrad 1 für ein Schneckenradgetriebe eines elektrischen Aktuators in einer Servolenkung eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Das Zahnrad 1 ist als Schraubrad 6 ausgeführt und auf einer nicht gezeigten Welle mit einem ersten, wellenseitigen Nabenteil 2 festgelegt. Das wellenseitige Nabenteil 2 ist aus einem niedriglegierten Stahl (ZF6) gebildet und form- und kraftschlüssig mit einem innenliegenden Nabenteil 5 aus Poyamid-66 über eine Vielzahl radialer Vorsprünge 7 verbunden. Die Vorsprünge 7 bilden in radialer und axialer Richtung des Zahnrades 1 Nocken zur Übertragung von Drehmomenten in Umfangsrichtung. Das innenliegende Nabenteil 5 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Elastizitätsmodul von etwa 8 GPa auf. Es trägt an seinem radial äußeren Umfang ein radial äußeres, einen Zahnkranz tragendes Teil 4 aus einem Polyamid-66 mit einem Elastizitätsmodul von etwa 3 GPa. Das einen Zahnkranz 3 tragende Teil 4 ist form-, kraft- und stoffschlüssig über eine Vielzahl in das innenliegende Nabenteil 5 ragenden, radialen Vorsprüngen, die in axialer Richtung mit Abstand zu der Innenumfangsfläche des Teils 4 verlaufen, mit dem innenliegenden Nabenteil 5 verbunden.

BEZUGSZEICHENLISTE EM Nr. 051 c


Anspruch[de]
Geräuscharmes Zahnrad in Verbundbauweise aus Kunststoff, insbesondere Schraubrad für einen Getriebemotor, mit einem ersten, wellenseitigen Nabenteil (2) und mit einem radial äußeren, einen Zahnkranz (3) tragenden Teil (4), wobei das wellenseitige Nabenteil (2) und das radial äußere, einen Zahnkranz (3) tragende Teil (4) des Zahnrades (1) drehfest mit einem innenliegenden Nabenteil (5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das radial äußere, einen Zahnkranz (3) tragende Teil (4) einen kleineren Elastizitätsmodul aufweist, wie das erste, wellenseitige Nabenteil (2) und das innenliegende Nabenteil (5). Geräuscharmes Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, wellenseitige Nabenteil (2) einen höheren Elastizitätsmodul als das innenliegende Nabenteil (5) und das radial äußere, einen Zahnkranz (3) tragende Teil (4) des Zahnrades (1) aufweist. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (1) drei oder mehr als drei Bauteile (2, 4, 5) aufweist und der Elastizitätsmodul der Bauteile (2, 4, 5) vom radial äußeren, einen Zahnkranz (3) tragenden Teil (4) bis zu dem ersten, wellenseitigen Nabenteil (2) des Zahnrades (1) in Bezug auf jedes Bauteil (2, 4, 5) zunimmt. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das radial äußere, einen Zahnkranz (3) tragende Teil (4) eine größere Schlagzähigkeit aufweist, als das erste, wellenseitige Nabenteil (2). Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das radial äußere, einen Zahnkranz (3) tragende Teil (4) einen geringen Gleitreibungskoeffizienten &mgr; gegenüber Stahl aufweist. Geräuscharmes Zahnrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitreibungskoeffizient &mgr; etwa < 0,45 bei trockener Stoffpaarung beträgt. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das radial äußere, einen Zahnkranz (3) tragende Teil (4) einen Elastizitätsmodul von etwa 3 bis 5 GPa aufweist. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das innenliegende Nabenteil (5) einen Elastizitätsmodul von etwa 8 bis 30 GPa aufweist. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das radial äußere, einen Zahnkranz (3) tragende Teil (4) aus einem amorphen Thermoplasten gebildet ist. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das radial äußere, einen Zahnkranz (3) tragende Teil (4) aus einem teilkristallinen Thermoplasten gebildet ist. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das radial äußere, einen Zahnkranz (3) tragende Teil (4) aus einem ungefüllten, unverstärkten Polyamid-66-Typ gebildet ist. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das innenliegende Nabenteil (5) aus einem Polyamid-Typ oder aus einem Polypropylen gebildet ist. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das innenliegende Nabenteil (5) aus einem Duroplasten gebildet ist. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das innenliegende Nabenteil (5) aus einem Thermoplasten mit erhöhter Schlagzähigkeit gebildet ist. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das innenliegende Nabenteil (5) aus einem thermoplastischen Elastomeren oder aus einem gefüllten Elastomeren gebildet ist. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das wellenseitige Nabenteil (2) mit dem innliegenden Nabenteil (5) in radialer und axialer Richtung des Zahnrades (1) zur Übertragung von Drehmomenten in Umfangsrichtung formschlüssig und kraftschlüssig verbunden ist. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das innenliegende Nabenteil (5) und das radial äußere, einen Zahnkranz (3) tragende Teil (4) in radialer und axialer Richtung des Zahnrades (1) formschlüssig und kraftschlüssig bzw. stoffschlüssig so verbunden sind, dass ihre kraftübertragenden Stoffvolumina ohne Wanddickensprünge allmählich gegeneinander zunehmen. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das wellenseitige Nabenteil (2) aus einem Metallwerkstoff gebildet ist. Geräuscharmes Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (1) ein Schraubrad (6) eines Schneckenradgetriebes in einem Lenksystem ist. Verfahren zur Herstellung eines geräuscharmen Zahnrades mit einem ersten, wellenseitigen Nabenteil (2) und mit einem äußeren, einen Zahnkranz (3) tragenden Teil (4), dadurch gekennzeichnet, dass radial zwischen das wellenseitige Nabenteil (2) und das radial äußere, einen Zahnkranz (3) tragende Teil (4) ein innenliegendes Nabenteil (5) mit Hilfe eines Spritzgießverfahrens zur formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verbindung des wellenseitigen Nabenteils (2) und des radial äußeren, einen Zahnkranz (3) tragenden Teils (4) nacharbeitsfrei geformt wird. Verfahren zur Herstellung eines geräuscharmen Zahnrades nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgießverfahren ein Mehrkomponenten-Spritzgießverfahren in einem oder mehreren getrennten Werkzeugen ist.






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