Die Erfindung betrifft ein Zahnrad.

Zahnräder werden in den vielfältigsten Anwendungsbereichen zur Momentübertragung eingesetzt. Sie dienen hierbei nicht nur der Momentübertragung, sondern auch der Anpassung von Umdrehungsgeschwindigkeiten insbesondere durch Über- und Untersetzungen und zur Änderung des Drehmoments. Aus Zahnrädern bestehende Getriebe lassen sich in praktisch allen Bereichen der Technik und Mechanik finden. Insbesondere im Maschinen- und Fahrzeugbau sind Zahnräder unverzichtbare Bestandteile der Moment- beziehungsweise Kraftübertragung. Mit zunehmender Betriebsdauer solcher Getriebe beziehungsweise Zahnradpaarungen erwärmen sich die Komponenten der Zahnradverbindung beziehungsweise des Getriebes durch das Abwälzen der Zahnflanken aufeinander, wobei Reibungsverluste in Wärme umgesetzt werden. Durch die thermischen Eigenschaften der verwendeten Materialien ändert sich die Ausdehnung und/oder Geometrie der beteiligten Elemente, insbesondere der Zahnräder selbst. Hierdurch kommt es zu einer Änderung des Flankenspiels, insbesondere zu einer Vergrößerung des Flankenspiels, die zu unruhigem Lauf und zu Geräuschentwicklung der Zahnradverbindung führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zahnrad bereitzustellen, das in bekannten Zahnradverbindungen die genannten Nachteile vermeidet.

Hierzu wird ein Zahnrad mit einem Zentralkörper und radial von dem Zentralkörper ausgehenden Zähnen vorgeschlagen, wobei mindestens zwei konzentrisch und axial zueinander angeordnete sowie zueinander winkelverdrehbare Teilzahnräder vorgesehen sind, deren Zentralkörper über ein temperaturabhängiges, durch Temperaturänderung eine Winkelverdrehung bewirkendes Kuppelelement miteinander gekuppelt sind. Das Zahnrad weist demzufolge Teilzahnräder auf, die zueinander bei gleichbleibend konzentrischer Anordnung winkelverdrehbar sind. Die Teilzahnräder sind hierbei über das Kuppelelement miteinander gekuppelt; das Kuppelelement bewirkt demzufolge die Momentübertragung zwischen den Teilzahnrädern. Das Kuppelelement ist hierbei temperaturabhängig ausgestaltet, dergestalt, dass es zwischen den Teilzahnrädern in Abhängigkeit von der Temperatur eine Winkelverdrehung der Teilzahnräder relativ zueinander bewirkt. Es ist hierbei möglich, beide Teilzahnräder mit gleicher Zahnzahl und gleicher Zahngeometrie auszubilden, also insbesondere dergestalt, dass die einzelnen Zähne der Teilzahnräder dieselbe Zahnweite, dieselbe Zahndicke, denselben Eingriffwinkel et cetera aufweisen. Es kann aber auch eines der Teilzahnräder dergestalt ausgestaltet sein, dass es eine andere Zahngeometrie oder eine andere Zahnzahl aufweist. Durch eine Winkelverdrehung der Teilzahnräder zueinander ändert sich die effektive Zahngeometrie, insbesondere die effektiv wirksame Zahndicke. Dies wird dadurch bewirkt, dass die Zähne der Teilzahnräder nicht mehr mit sich überdeckenden Querschnitten eine einheitliche Zahnflanke ausbilden, sondern die Zahnflanken der Teilzahnräder stufig zueinander versetzt sind.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eines der Teilzahnräder drehfest auf einer Welle angeordnet ist und dass das andere Teilzahnrad drehbar auf der Welle lagert. Das eine Teilzahnrad erhält seine Momentbeaufschlagung folglich direkt über die Welle, während das andere Teilzahnrad drehbar auf der Welle lagert. Die Momentbeaufschlagung dieses anderen, drehbar auf der Welle lagernden Teilzahnrades erfolgt über das Kuppelelement durch das erste, drehfest mit der Welle verbundene Teilzahnrad, nicht durch die Welle.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kuppelelement ein Spiralkuppelelement oder ein Kreisbogenkuppelelement ist. Das Kuppelelement ist in der Form einer Spirale beziehungsweise eines Spiralabschnittes ausgebildet, also dergestalt, dass der Radius bei Beginn der Spirale ein anderer ist als am Ende der Spirale, wobei aber die einzelnen Gänge beziehungsweise Teilgänge der Spirale in einer Ebene liegen, oder als Kreisbogen, also im Wesentlichen radiusgleich.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kuppelelement mit seinen beiden Stirnenden jeweils eines der Teilzahnräder beaufschlagt. Ein Stirnende beaufschlagt demzufolge das eine, das andere Stirnende das andere Teilzahnrad. Auf diese Weise lässt sich eine in beide Laufrichtungen funktionierende Kupplung der Teilzahnräder bewirken.

In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Teilzahnräder gleiche oder unterschiedliche Stärke aufweisen. Die Zahnbreite ist demzufolge nicht gleich, sondern unterschiedlich, wobei jedes der Teilzahnräder eine andere Zahnbreite aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kuppelelement aus einem Kunststoff besteht. Kunststoffe bieten vielfältige Möglichkeiten, um die Spezifikationen eines Werkstückes in weiten Grenzen frei bestimmen zu können. Sie sind überdies leicht zu bearbeiten und relativ kostengünstig. Auf diese Weise lässt sich das Kuppelelement vorteilhaft mit den gewünschten Eigenschaften herstellen.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Kuppelelement einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der zu dem mindestens einen Teilzahnrades verschieden ist. Durch diese Ausgestaltung lässt sich die thermisch bedingte Winkelverschiebung der beiden Teilzahnräder leicht bewerkstelligen, da die Änderung der Ausdehnung des Kuppelelements eine andere ist als die des mindestens einen Teilzahnrades und insoweit eine Längenänderung des Kuppelelements eine Verschiebung der beiden Teilzahnräder zueinander bewirkt. Vorzugweise weist der Werkstoff des Kuppelelements einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als derjenige des Teilzahnrades auf; die Wärmeausdehnung des Kuppelelements ist demzufolge größer als die des Teilzahnrades, es wird eine relativ zur Wärmeausdehnung des Kuppelelements größere Längenänderung des Kuppelelements und damit über die Beaufschlagung der Teilzahnräder über die Stirnenden des Kuppelelements eine Winkelverdrehung der Teilzahnräder relativ zueinander bewirkt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Teilzahnräder randoffene Ausnehmungen auf, in denen das Kuppelelement einliegt. Die Ausnehmungen sind bevorzugt im Zentralkörper angeordnet, wobei sich die Ausnehmungen der beiden Teilzahnräder gegenüberliegen. Das Kuppelelement liegt in den randoffenen Ausnehmungen ein, dergestalt, dass das eine Stirnende des Spiralkuppelelements von dem einen Teilzahnrad, das andere Stirnende von dem anderen Teilzahnrad beaufschlagt wird und sich jeweils an diesem abstützt. Die Kupplung der beiden Teilzahnräder erfolgt auf diese Weise im Betrieb verdeckt, das Kuppelelement befindet sich zwischen den beiden Teilzahnrädern und wird von diesen gewissermaßen eingeschalt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Kuppelelement aus einem Werkstoff gebildet, der einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als mindestens eines der Teilzahnräder aufweist, und der zur Ausbildung des Kuppelelements in die randoffenen Ausnehmungen eingespritzt wird, wobei die Teilzahnräder eine Spritzform ausbilden. Das Kuppelelement wird demzufolge nicht als separates, fertiges Bauteil beziehungsweise Halbzeug in die randoffenen Ausnehmungen eingebracht, sondern durch Einspritzen des Werkstoffes des Kuppelelements in eben diesen randoffenen Ausnehmungen hergestellt. Dies kann besonders vorteilhaft bei der Montage des Zahnrades, also dem Zusammenfügen der beiden Teilzahnräder erfolgen und führt zu einer erheblichen Einsparung an Verfahrensschritten und damit zu einer erheblichen Kostenreduzierung.

Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines aus zwei Teilzahnrädern bestehenden Zahnrades vorgeschlagen. Es ist vorgesehen, dass zur Ausbildung eines zwischen den Teilzahnrädern in randoffenen Ausnehmungen angeordneten Kuppelelements ein Werkstoff in die randoffene Ausnehmungen der Teilzahnräder eingespritzt wird, wobei die Teilzahnräder eine Spritzform ausbilden. Das Zahnrad ist demzufolge nach Einspritzen des Werkstoffes, der das Kuppelelement ausbildet, fertig gestellt. Ein Trennen der Teilzahnräder und eine Nachbearbeitung kann erfolgen, ist aber nicht erforderlich.

In einer bevorzugten Ausführungsform kämmt das Zahnrad mit einem weiteren Zahnrad. Änderungen im Flankenspiel, wie sie beispielsweise erwärmungsbedingt nicht nur durch die thermische Ausdehnung der Zahnräder, sondern insbesondere auch durch eine Änderung von zwischen Achsen der miteinander kämmenden Zahnräder bestehenden Achsabständen erfolgt, werden durch die Winkelverdrehung der Teilzahnräder und die hierdurch bewirkte Änderung der effektiv wirksamen Zahnbreite ausgeglichen. Vergrößert sich beispielsweise erwärmungsbedingt der Achsabstand der beiden miteinander kämmenden Zahnräder, findet eine Winkelverdrehung der Teilzahnräder des einen Zahnrades statt, die um so größer ausfällt, je stärker die Erwärmung ist (wobei dem durch Erwärmung größer werdenden Achsabstand Rechnung getragen wird). Das sich verdrehende Teilzahnrad wirkt hierbei als Kompensationszahnrad, das bei der Veränderung des Achsabstands linear angepasster Kompensation das Flankenspiel null hält oder bei Überkompensation durch eine Vergrößerung der effektiv wirksamen Zahnbreite über das erforderliche Maß hinaus sogar zu einer Verspannung und damit Überkompensation führt. Hierdurch ist ein dauernder Eingriff der Zähne gewährleistet, so das kein unzulässiges Flankenspiel besteht und demzufolge ein ruhiger Lauf der Zahnräder im Betrieb gesichert ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus Kombinationen derselben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

1 eine Querschnittsdarstellung eines aus zwei Teilzahnrädern bestehenden Zahnrades,

2 einen Längsschnitt eines Getriebes und

3 eine Detaildarstellung zweier Zähne.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Zahnrad 1, das mit einem zweiten Zahnrad 2 kämmt und hierbei ein Getriebe 3 ausbildet. Das Zahnrad 1 und das zweite Zahnrad 2 weisen jeweils Zähne 4 auf, von denen der besseren Übersicht wegen nur die zum Verständnis der Erfindung erforderlichen dargestellt sind. Die Zähne 4 des Zahnrads 1 und des zweiten Zahnrad 2 weisen jeweils Flanken 5 auf, die an ihrer Flankenlinie 6 einen Wälzzylinder 7, im Schnitt dargestellt durch einen Wälzkreis 8, ausbilden. Das Zahnrad 1 und das zweite Zahnrad 2 sind als außenverzahnte Stirnräder 9 mit Geradverzahnung 10 ausgebildet. Die Zähne 4 des Zahnrads 1 weisen hierbei eine Zahndicke s auf, wobei zwischen den Zähnen 4 des Zahnrads 1 eine Lückenweite e besteht, jeweils bezogen auf den Wälzkreis 8. Das Zahnrad 1 und das zweite Zahnrad 2 weisen einen Zentralkörper 11 auf, auf dem außenumfangsseitig die Zähne 4 angeordnet sind. Über den Zentralkörper 11 erfolgt die Verbindung mit einer ersten Welle 32 zur Momentübertragung. Das Zahnrad 1 ist längsgeteilt (siehe nachfolgende 2) so dass sich zwei Teilzahnräder 12 ergeben. Von den Teilzahnrädern 12 ist das eine, erste Teilzahnrad 13 drehfest auf der ersten Welle 32 angeordnet, wohingegen das andere, zweite Teilzahnrad 14 drehbar auf der ersten Welle 32 lagert. Das erste Teilzahnrad 13 ist mit dem zweiten Teilzahnrad 14 durch ein Kuppelelement 15 verbunden, das als Spiralkuppelelement 16 in einer in dem Zentralkörper 11 des zweiten Teilzahnrads 14 angeordneten Ausnehmung 35 angeordnet ist, und dessen eines, inneres Stirnende 17 eine exzentrisch angeordnete, bevorzugt auf einem Radius liegende innere Abstützfläche 18 des ersten Teilzahnrads 13 beaufschlagt. Die innere Abstützfläche 18 ist folglich an dem ersten Teilzahnrad 13 drehfest angeordnet, insbesondere einstückig zu diesem ausgebildet. Das andere, äußere Stirnende 19 des Spiralkuppelelements 16 stützt sich an einer äußeren Abstützfläche 20 ab, die mit einem größeren Radialabstand zu einer ersten Drehachse 21 des Zahnrads 1 an dem Zentralkörper 11 des zweiten Teilzahnrads 14 ausgebildet ist und somit die Ankopplung des zweiten Teilzahnrads, das drehbar auf der Welle lagert, an das mit dieser drehfest verbundene erste Teilzahnrad 13 bewirkt.

Das zweite Zahnrad 2 weist eine zweite Drehachse 22 auf, wobei zwischen der ersten Drehachse 21 und der zweiten Drehachse 22 ein Achsabstand a besteht.

Durch Erwärmung im Betrieb des Getriebes 3 kann sich der Achsabstand a verändern, insbesondere vergrößern. Hierdurch ergibt sich zwischen den Zähnen 4 des Zahnrads 1 und des zweiten Zahnrads 2 ein vergrößertes Flankenspiel. Durch das Spiralkuppelelement 16, das aus einem Kuppelelementmaterial 23 besteht, das einen solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, dass es seine Längenausdehnung (nämlich entlang der Spiralrichtung) bei Erwärmung vergrößert, wird das zweite Teilzahnrad 14 gegen das erste Teilzahnrad 13 um einen Winkel y verschoben, so dass sich die bislang allein durch die Zahndicke s bestimmte effektiv wirksame Zahndicke S_eff vergrößert, so dass sich eine Rechtsflanke 24 eines ersten Zahnes 25 des Zahnrads 1 an einer rechten Gegenflanke 26 eines ersten Gegenzahns 27 des zweiten Zahnrads 2 abstützt, wobei der erste Zahn 25 dem zweiten Teilzahnrad 14 zugehörig ist, das gegenüber dem ersten Teilzahnrad 13 um den Winkel y winkelverschoben ist. Eine Linksflanke 28 eines zweiten Zahns 29, der dem ersten Teilzahnrad 13 zugehörig ist, stützt sich an einer linken Gegenflanke 30 eines zweiten Gegenzahns 31 des zweiten Zahnrads 2 ab. Die effektiv wirksame Zahndicke S_eff wird folglich nicht durch einen Zahn 4 des Zahnrads 1 bewirkt, sondern durch zueinander leicht verschobene Zähne 4, nämlich den ersten Zahn 25, der auf dem zweiten Teilzahnrad 14 angeordnet ist, und den zweiten Zahn 29, der auf dem ersten Teilzahnrad 13 angeordnet ist, wobei die Winkelverschiebung um den Winkel y durch die thermische Ausdehnung des Spiralkuppelelements 16 bewirkt wird, das sich einerseits mit seinem inneren Stirnende 17 an der inneren Abstützfläche 18, welche drehfest mit dem ersten Teilzahnrad 13 ausgebildet oder angeordnet ist, andererseits mit seinem äußeren Stirnende 19 an der äußeren Abstützfläche 20 abstützt, die innenumfangsseitig an dem Zentralkörper 11 des zweiten Teilzahnrads 14 ausgebildet ist. Die effektiv wirksame Zahndicke s_eff ist folglich die Summe der Zahndicke S_eZ des ersten Zahns 25 und der Zahndicke S_zZ des ersten Zahns 29 abzüglich der Länge der Überdeckung des ersten Zahns 25 und des zweiten Zahns 26 im Bereich des Wälzkreises 8. Auf diese Weise lässt sich das Flankenspiel zwischen dem Zahnrad 1 und dem zweiten Zahnrad 2 ausgleichen; durch eine relativ zum Flankenspiel stärkere Winkelverschiebung y (bewirkt durch eine stärkere Längendehnung des Spiralkuppelelements 16) lässt sich eine Überkompensation erreichen, so dass eine Verspannung zwischen den Zähnen 4 des zweiten Zahnrads 2 und den um den Winkel y verschobenen Zähnen 4 des Zahnrads 1 (nämlich der ersten Zähne 25 und der zweiten Zähne 29 des ersten Teilzahnrads 13 respektive des zweiten Teilzahnrads 14) erreichen lässt.

2 zeigt die in 1 beschriebene Anordnung im Längsschnitt. Das erste Zahnrad 1 ist hierbei auf einer ersten Welle 32 angeordnet, wobei das zweite Teilzahnrad 14drehbar auf der ersten Welle 32 lagert, wohingegen das erste Teilzahnrad 13 drehfest mit der ersten Welle 32 verbunden ist. Die Teilzahnräder 12 weisen jeweils die einander zugewandten Ausnehmungen 35 auf, in die das Spiralkuppelelement 16 eingebracht ist. Die erste Welle 32 weist mit ihrer ersten Drehachse 21 zu einer zweiten Welle 33, mit ihrer zweiten Drehachse 22 auf der drehfest das zweite Zahnrad 2 lagert, den Achsabstand a auf. Die Zähne 4 des Zahnrads 1 und des zweiten Zahnrads 2 befinden sich in einem Eingriff 34. Hierbei ergibt sich bei Änderung des Achsabstand a, insbesondere seiner Vergrößerung, eine Änderung des bereits zu 1 beschriebenen Flankenspiels der Zähne 4 innerhalb des Eingriffs 34, der durch die zu 1 beschriebene Verdrehung des zweiten Teilzahnrads 14 relativ zum ersten Teilzahnrad 13 um den Winkel y kompensiert wird.

Insbesondere bei Getrieben, die geradverzahnte Zahnräder 1, 2 aufweisen, lässt sich hierdurch eine sehr gute Laufruhe bewirken. Vorteilhaft wird das Zahnrad 1 hierbei so ausgelegt, dass sowohl das erste Teilzahnrad 13 als auch das zweite Teilzahnrad 14 eine ausreichende Stabilität im Bereich der Zahnflanken aufweisen. Die Erfindung kann aber vorteilhaft auch bei anderen Verzahnungen eingesetzt werden, beispielsweise bei Schräg-, Pfeil-, Bogen- und Spiralverzahnungen, und zwar von Stirnrädern, Hohlrädern und Kegelrädern.

3 zeigt ausschnittsweise die Änderung der effektiv wirksamen Zahnbreite S_f bei Verdrehung des zweiten Teilzahnrads 14 relativ zu dem hier aufgrund der flächigen Überdeckung nicht sichtbaren ersten Teilzahnrad 13. Hierzu sind einzeln dargestellt der erste Zahn 25, der auf dem zweiten Teilzahnrad 14 angeordnet ist, und der zweite Zahn 29, der auf dem ersten Teilzahnrad 13 angeordnet ist. Das zweite Teilzahnrad 14 ist gegenüber dem ersten Teilzahnrad 13 um den Winkel y verdreht. Hierdurch liegen der erste Zahn 25 und der zweite Zahn 29, die jeweils auf dem Wälzkreis 8 die Zahndicke s aufweisen, nicht mehr fluchtend hintereinander. Auf dem Wälzkreis 8 ergibt sich die effektiv wirksame Zahndicke s_eff als die Summe der beiden Zahndicken s (nämlich des ersten Zahns 25 und des zweiten Zahns 29) abzüglich der auf dem Wälzkreis 8 noch erfolgenden Überdeckung (als Wälzkreisabschnitt x, also s_eff = 2·s – x), für den Fall, dass der erste Zahn 25 und der zweite Zahn 29 denselben Querschnitt aufweisen, mithin also auf dem Wälzkreis 8 dieselbe Zahndicke s besitzen. Für den Fall abweichender Zahngeometrie ergibt sich die effektiv wirksame Zahndicke s_eff als Summe der Zahndicke des ersten Zahns s_eZ plus der Zahndicke des zweiten Zahns s_zZ abzüglich der Überdeckung auf dem Wälzkreis 8 als Wälzkreisabschnitt x.

1

Zahnrad

2

zweites Zahnrad

3

Getriebe

4

Zähne

5

Flanken

6

Flankenlinie

7

Wälzzylinder

8

Wälzkreis

9

außenverzahntes Stirnrad

10

Geradverzahnung

11

Zentralkörper

12

Teilzahnrad

13

erstes Teilzahnrad

14

zweites Teilzahnrad

15

Kuppelelement

16

Spiralkuppelelement

17

inneres Stirnende

18

innere Abstützfläche

19

äußeres Stirnende

20

äußere Abstützfläche

21

erste Drehachse

22

zweite Drehachse

23

Kuppelelementmaterial

24

Rechtsflanke

25

erster Zahn

26

rechte Gegenflanke

27

erster Gegenzahn

28

Linksflanke

29

zweiter Zahn

30

linke Gegenflanke

31

zweiter Gegenzahn

32

erste Welle

33

zweite Welle

34

Eingriff

35

Ausnehmung

s

Zahndicke

e

Lückenweite

a

Achsabstand

seff

effektiv wirksame Zahndicke

seZ

Zahndicke des ersten Zahns

szZ

Zahndicke des zweiten Zahns

x

Wälzkreisabschnitt