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Die Erfindung betrifft eine Zahnradanordnung für ein Zahnradgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnradanordnung gemäß Anspruch 11, sowie einen Aktuator für einen verstellbaren Wankstabilisator eines Fahrzeugs gemäß Anspruch 14.
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In unterschiedlichen Bereichen der Technik kommen Zahnradgetriebe in Bauform von Planetengetrieben zum Einsatz. Es handelt sich dabei um sogenannte Umlaufrädergetriebe, d. h. Getriebe, die neben einer gehäusefesten Welle auch Achsen besitzen, die auf einer Kreisbahn im Gehäuse umlaufen. Bei Planetengetrieben verlaufen die umlaufenden Achsen parallel zur gehäusefesten Welle, wobei die sich auf den umlaufenden Achsen drehenden Zahnräder ein zentrales Rad umkreisen, ähnlich wie Planeten die Sonne umkreisen. In der Fahrzeugtechnik gibt es unterschiedliche Anwendungen für Planetengetriebe.
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Zur Steigerung der Fahrzeugstabilität sowie des Fahrkomforts ist es für sich gesehen bekannt, Fahrzeuge mit einem sogenannten Wankstabilisator auszustatten. In einfachster Ausführung handelt es sich hierbei um eine im Wesentlichen C-förmige Drehstabfeder, die im mittigen Bereich drehbar gegenüber der Karosserie gelagert ist und deren äußere, sich gegenüberliegende Enden jeweils mit einer Radaufhängung gekoppelt sind. Durch diese Konstruktion sorgt der Wankstabilisator dafür, dass die Karosserie des Fahrzeugs bei einer Kurvenfahrt nicht nur an der kurvenäußeren Seite einfedert (bedingt durch die Zentrifugalkraft), sondern dass zudem das kurveninnere Rad etwas abgesenkt wird (Kopierverhalten).
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Zur weiteren Steigerung des Fahrkomforts ist es aus dem Stand der Technik bekannt, derartige Wankstabilisatoren verstellbar auszuführen. Der Wankstabilisator umfasst dazu einen Aktuator und ist in zwei mit Hilfe des Aktuators relativ zueinander verdrehbare Stabilisatorabschnitte geteilt. Durch Verdrehung der Stabilisatorabschnitte zueinander wird eine Wankbewegung des Fahrzeugaufbaus gezielt erzeugt oder einer durch äußere Einflüsse hervorgerufenen Wankbewegung des Fahrzeugaufbaus gezielt entgegengewirkt. Es sind Wankstabilisatoren bekannt, bei denen ein Elektromotor als Antrieb des Aktuators dient. Um die Baugröße des Elektromotors in vertretbaren Grenzen zu halten, kommt bei derartigen Wankstabilisatoren üblicherweise ein mechanisches Getriebe, insbesondere in Bauform eines ein- oder mehrstufigen Planetengetriebes zur Übersetzung des Drehmoments bzw. der Drehzahl des Elektromotors zum Einsatz.
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Auf für sich bekannte Weise verfügen derartige Planetengetriebe im Wesentlichen über ein zentral angeordnetes Sonnenrad, einen Satz von Planetenrädern sowie ein Hohlrad. Die Planetenräder sind um jeweils eine eigene Drehachse drehbar gegenüber einem Planetenträger gelagert. Sämtliche Planetenräder stehen in kämmendem Eingriff und wälzen sich ab an dem zentral angeordneten Sonnenrad. Zugleich stehen die Planetenräder in kämmendem Eingriff und wälzen sich ab an einem äußeren Hohlrad, das im Anwendungsfall eines Wankstabilisators üblicherweise gehäusefest, d. h. als Teil des Gehäuses des Aktuators ausgeführt ist.
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Abhängig von der jeweiligen Getriebestufe kommt es in bestimmten Betriebssituationen zu hohen übertragenen Drehmomenten innerhalb einer Planetenradstufe. Daneben kommt es in bestimmten Betriebssituationen zu Lastwechseln innerhalb des Planetengetriebes. Bedingt durch diese Anforderungen kommen insbesondere bei in Wankstabilisatoren eingesetzten Planetengetrieben besonders ausgeführte Planetenräder zum Einsatz. In
DE 10 2015 202 236 A1 wird eine Zahnradanordnung beschrieben, die als ein Planetenrad im zuvor genannten Zusammenhang einsetzbar ist. Es handelt sich demnach um eine Zahnradanordnung für ein Zahnradgetriebe, bestehend im Wesentlichen aus einem ersten Stirnrad und einem zweiten Stirnrad. Erstes und zweites Stirnrad bilden dabei jeweils eine Zahnradhälfte einer Zahnradanordnung, die sich demzufolge auch als geteiltes Zahnrad auffassen lässt. Die beiden Stirnräder sind koaxial mit einer gemeinsamen Mittelachse (oder Rotationsachse) axial voneinander beabstandet angeordnet und weisen jeweils einen Durchgang auf. Ein hohlzylindrisch ausgeführtes, elastisches Element ist innerhalb des Durchgangs der Stirnräder angeordnet und mit jedem der Stirnräder verbunden, so dass diese begrenzt relativ zueinander um die Rotationsachse zueinander drehbar verbunden sind. In einem entspannten Zustand, in welchem das elastische Element unverformt ist, weisen die Außenverzahnungen des ersten und zweiten Stirnrads zueinander einen geringfügigen Versatz in Umfangsrichtung auf. Wird durch Verdrehung der Stirnräder zueinander dieser Versatz aufgehoben, so liegt eine torsionale Verspannung der Zahnradanordnung vor, indem das elastische Element aufgrund einer Verformung eine Rückstellkraft bzw. ein Rückstellmoment im Sinne einer entgegengerichteten Verdrehung ausübt. In einem Einbauzustand der Zahnradanordnung innerhalb eines Getriebes, insbesondere eines Planetengetriebes, bewirkt die Verspannung vorteilhaft eine Zahnspielreduzierung (vermindertes Flankenschlagen, insbesondere beim Lastwechsel) und trägt damit zu einer erhöhten Genauigkeit sowie zur Reduzierung betriebsbedingter Schwingungen bei.
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Zur Gewährleistung einer präzisen, reibungsarmen Lagerung der Zahnradanordnung ist zwischen den Stirnrädern und einem Bolzen zur drehbaren Lagerung der Stirnräder weiterhin ein hohlzylindrisches Gleitlager in Form einer hülsenartigen Lagerbuchse angeordnet. Das elastische Element ist mit einer Innenumfangsfläche drehfest an einer Außenumfangsfläche des hohlzylindrischen Gleitlagers angeordnet. Die Lagerbuchse, die zwei Stirnräder und das elastische Element stellen jeweils zu fertigende und zu montierende Bauteile der Zahnradanordnung dar.
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Im beschriebenen Zusammenhang sei weiterhin verwiesen auf
DE 210 927 A , aus der eine Zahnradanordnung mit zumindest einzelnen Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt ist.
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Verwiesen sei weiterhin auf
DE 90 04 430 U1 . Daraus ist eine Zahnradanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Bei der dort beschriebenen Zahnradanordnung sind die beiden Stirnräder über sichelförmige Federmittel miteinander verbunden und lassen sich entgegen der Kraft dieser Federmittel gegeneinander verdrehen. Im unbelasteten Zustand weisen die Stirnräder keinen Versatz zueinander auf. Stirnräder und Federmittel sind einteilig aus einem Thermoplast hergestellt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zahnradanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die sich einfacher fertigen und montieren lässt. insbesondere sollen dabei wenig Bearbeitungsschritte anfallen und die Anzahl bei der Montage zu handhabender Teile soll gering sein. Daneben soll die Zahnradanordnung ein geringes Zahnspiel aufweisen und möglichst kompakt bauen. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zahnradanordnung angegeben werden. Weiterhin soll ein Aktuator für einen verstellbaren Wankstabilisator eines Fahrzeugs angegeben werden, der ein Getriebe mit einer wie zuvor angegebenen Zahnradanordnung aufweist.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird zunächst gelöst durch eine Zahnradanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei um eine Zahnradanordnung für ein Zahnradgetriebe, insbesondere für ein Planetengetriebe, die ein erstes Stirnrad und zumindest ein zweites Stirnrad aufweist. Das erste Stirnrad und das zumindest eine zweite Stirnrad sind mit gemeinsamer Mittelachse so angeordnet, dass eine Verzahnung des ersten Stirnrads axial benachbart ist zu einer Verzahnung des zweiten Stirnrads, wobei die Stirnräder um die Mittelachse gegeneinander dreh- und verspannbar sind. Das erste Stirnrad und das zumindest zweite Stirnrad sind einteilig ausgeführt, wobei die Zahnradanordnung aus einem einzigen Werkstück gefertigt ist, das sich in zumindest drei Bereiche gliedert, nämlich das erste Stirnrad mit der Verzahnung, das zweite Stirnrad mit der Verzahnung und einen zwischen dem ersten Stirnrad und dem zweiten Stirnrad befindlichen Verbindungsbereich. Erfindungsgemäß zeichnet sich die Zahnradanordnung dadurch aus, dass die Verzahnung des ersten Stirnrads gegenüber der Verzahnung des zweiten Stirnrads in einem unbelasteten Zustand der Zahnradanordnung einen Versatz in Umfangsrichtung aufweist, wobei der im unbelasteten Zustand der Zahnradanordnung vorliegende Versatz zwischen erstem Stirnrad und zweitem Stirnrad auf einer plastischen Verformung in Form einer Torsion des Verbindungsbereichs um die Mittelachse beruht.
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Dem damit beschriebenen Erfindungsgedanken liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei aus dem Stand der Technik bekannten Zahnradanordnungen für den beschriebenen Einsatzzweck ein verhältnismäßig hoher Aufwand hinsichtlich der Fertigung der einzelnen Komponenten sowie der Montage der Komponenten besteht. Zur Lösung wurde erfindungsgemäß die Idee entwickelt, die Zahnradanordnung einfacher herstellbar zu gestalten, indem das erste Stirnrad und das zumindest zweite Stirnrad einteilig ausgeführt sind. Das erste Stirnrad und das zumindest zweite Stirnrad sind somit Teile eines einzigen gemeinsamen Bauteils. Zur Verbindung des ersten Stirnrads mit dem zumindest zweiten Stirnrad ist somit keinerlei Montageschritt erforderlich, zudem kann auf weitere Funktionselemente (wie beispielsweise die in der
DE 10 2015 202 236 A1 beschriebene hohlzylindrische elastische Hülse) verzichtet werden. Diesbezügliche Fertigungsschritte entfallen damit auf vorteilhafte Weise. Die eingangs genannte Aufgabe wird somit gelöst.
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Eine einteilige Ausführung des ersten Stirnrads mit dem zumindest zweiten Stirnrad lässt sich auf unterschiedliche Weise verwirklichen. Erfindungsgemäß ist die Zahnradanordnung aus einem einzigen, insbesondere aus einem metallischen Werkstück gefertigt.
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Zur Erzielung der gewünschten Funktion der Zahnradanordnung, insbesondere zur Erzielung einer Verspannbarkeit der Stirnräder gegeneinander, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich das Werkstück in zumindest drei Bereiche gliedert. Bei diesen zumindest drei Bereichen handelt es sich um das erste Stirnrad mit einer Verzahnung, das zweite Stirnrad mit einer Verzahnung sowie einen zwischen dem ersten Stirnrad und dem zweiten Stirnrad befindlichen Verbindungsbereich. Die durch das einteilige Werkstück vorliegende Zahnradanordnung weist somit zumindest drei unterschiedliche Funktionsbereiche auf, die zugleich einem einzigen Bauteil zugeordnet sind.
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Erfindungsgemäß ist die Zahnradanordnung derart gestaltet, dass die Verzahnung des ersten Stirnrads gegenüber der Verzahnung des zweiten Stirnrads in einem unbelasteten Zustand der Zahnradanordnung einen Versatz in Umfangsrichtung aufweist. Demzufolge handelt es sich bei dem Versatz demnach um einen Winkelversatz, mit anderen Worten ist das erste Stirnrad gegenüber dem zweiten Stirnrad hinsichtlich der Verzahnung bezogen auf die gemeinsame Mittelachse (oder Rotationsachse) um einen Winkel verdreht.
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Der im unbelasteten Zustand der Zahnradanordnung vorliegende Versatz zwischen erstem Stirnrad und zweitem Stirnrad wird für die wie zuvor beschriebene einteilig ausgeführte Zahnradanordnung durch plastische Verformung erzielt. Erfindungsgemäß beruht demnach der Versatz auf einer plastischen Verformung, nämlich auf einer Torsion des Verbindungsbereichs um die Mittelachse. Fertigungstechnisch ist es damit möglich, die Stirnräder zunächst aus einem einzigen Werkstück in einem gemeinsamen Bearbeitungsschritt (spanende Bearbeitung) zu fertigen, wobei die plastische Verformung eine verhältnismäßig einfache Maßnahme darstellt, um einen Versatz zwischen den Stirnrädern im unbelasteten Zustand der Zahnradanordnung zu erreichen. Wie noch zu erläutern sein wird, kann der Verbindungsbereich dazu auf unterschiedliche Weise gestaltet sein.
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Zur Erzielung der gewünschten Funktionalität der Zahnradanordnung, insbesondere eines Zahnspielausgleichs im Zusammenbauzustand innerhalb eines Getriebes, ist der Verbindungsbereich insbesondere in Bezug auf eine Verdrehbarkeit um die Mittelachse zweckmäßigerweise elastisch. Der Verbindungsbereich, der im unbelasteten Zustand der Zahnradanordnung wie zuvor erwähnt vorzugsweise plastisch verformt ist, weist demnach bevorzugt eine Elastizität im Sinne einer Tordierbarkeit auf, entwickelt also mit zunehmender Verdrehung um die Mittelachse ein entgegengerichtetes Rückstellmoment. Aufgrund seiner Anordnung zwischen erstem und wenigstens zweitem Stirnrad kann die Zahnradanordnung in einem Eingriffszustand innerhalb eines Getriebes somit auf vorteilhafte Weise einen Zahnspielausgleich bewirken.
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Der Verbindungsbereich zwischen erstem Stirnrad und wenigstens zweitem Stirnrad kann auf unterschiedliche Weise gestaltet sein. Damit dieser eine ausreichende Elastizität aufweist, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Zahnradanordnung der Verbindungsbereich mit zumindest einer Materialschwächung versehen, insbesondere in Form einer umlaufenden Nut und/oder wenigstens einer sonstigen Materialausnehmung wie einem Langloch, einer Bohrung oder dergleichen.
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Vorteilhaft ist am Verbindungsbereich eine die Verzahnungen des ersten und zweiten Stirnrads voneinander trennende, außenumfängliche Nut ausgebildet. Eine derartige Nut kann unterschiedlich tief und unterschiedlich breit (Erstreckung in Axialrichtung) ausgebildet sein, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften an der Zahnradanordnung, insbesondere des Verbindungsbereichs beeinflussen lassen.
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Gemäß einer in konstruktiver Hinsicht vorteilhaften Weiterbildung der Zahnradanordnung sind das erste Stirnrad und das zweite Stirnrad axial benachbart angeordnet, wobei sich der Verbindungsbereich in axialer Richtung zwischen den Stirnrädern erstreckt. Ein derartiger Aufbau der Zahnradanordnung bietet den Vorteil einer verhältnismäßig einfachen Fertigung sowie der Möglichkeit eines symmetrischen Aufbaus. Letzterer kann dadurch gegeben sein, dass eine senkrecht zur Mittelachse, also in Radialrichtung, durch den Verformungsbereich verlaufende Ebene eine Symmetrieebene der Zahnradanordnung bildet.
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Alternativ lässt sich die Zahnradanordnung so ausführen, dass ein Axialabschnitt des zweiten Stirnrads in das erste Stirnrad hineinragt, wobei sich der Verbindungsbereich in radialer Richtung zwischen dem Axialabschnitt des zweiten Stirnrads und dem ersten Stirnrad erstreckt. In diesem Fall ist vorteilhaft der Verbindungsbereich hohlzylindrisch ausgebildet und grenzt mit einer inneren Mantelfläche an den Axialabschnitt des zweiten Stirnrads und mit einer äußeren Mantelfläche an das erste Stirnrad an.
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Es wurde zuvor beschrieben, dass die Zahnradanordnung aus einem einzigen Werkstück gefertigt sein kann. Alternativ dazu ist es denkbar, dass die Zahnradanordnung aus einem ersten Stirnrad und einem zweiten Stirnrad hergestellt ist, die miteinander reibverschweißt sind. In diesem Fall werden die Stirnräder zunächst einzeln gefertigt, um anschließend durch Reibverschweißung zu einem einzigen Bauteil verbunden zu werden.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Zahnradanordnung weist diese vorteilhaft einen axialen Durchgang zur Durchführung eines Bolzens auf. Das Vorhandensein eines derartigen axialen Durchgangs ist grundsätzlich unabhängig zu sehen von der sonstigen Gestaltung der Zahnradanordnung. Die Durchführung eines Bolzens dient ganz allgemein dem Zweck, die Zahnradanordnung drehbar innerhalb eines Getriebes, insbesondere Planetengetriebes zu lagern. Zwischen Bolzen und Zahnradanordnung kann eine geeignete Lagereinrichtung in Form eines Gleit- oder Wälzlagers zum Einsatz kommen.
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Eine der eingangs genannten Aufgaben wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Es handelt sich dabei um ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnradanordnung, insbesondere einer wie zuvor beschriebenen Zahnradanordnung. Das Verfahren weist erfindungsgemäß die folgenden Schritte auf:
- Bereitstellen einer Radanordnung mit zueinander fluchtenden Verzahnungen, die durch eine Nut voneinander getrennt sind, wobei eine Verzahnung einem ersten Stirnrad und eine Verzahnung einem zweiten Stirnrad zugeordnet ist,
- plastisches Verformen durch Tordieren des ersten Stirnrads gegenüber dem zweiten Stirnrad um eine Mittelachse zur Erzielung eines Versatzes zwischen der Verzahnung des ersten Stirnrads und der Verzahnung des zweiten Stirnrads im unbelasteten Zustand der Zahnradanordnung.
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Das damit beschriebene Verfahren ist zunächst einmal unabhängig von der sonstigen konkreten Ausgestaltung der Zahnradanordnung. Insbesondere lässt sich durch das Verfahren eine Zahnradanordnung mit unterschiedlich gestaltetem Verbindungsbereich herstellen. Es stellt ganz allgemein eine Möglichkeit dar, eine wie zuvor beschriebene Zahnradanordnung herzustellen, welche aus einem einzigen Bauteil besteht und damit bereits beschriebene Vorteile, insbesondere hinsichtlich deren Montierbarkeit bietet.
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Zudem lässt der erfindungsgemäß zunächst vorgesehene Schritt des Bereitstellens der Radanordnung offen, auf welche Weise die Radanordnung hergestellt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist es denkbar, dass der Schritt des Bereitstellens der Radanordnung erreicht wird durch die Schritte:
- Fertigen eines Stirnrads mit durchgängiger Verzahnung,
- Einbringen einer Nut, um die Verzahnung in eine einem ersten Stirnrad zuordenbare Verzahnung und eine einem zweiten Stirnrad zuordenbare Verzahnung zu trennen.
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Alternativ zu dieser Vorgehensweise wäre es denkbar, in ein Ausgangswerkstück (beispielsweise einen Schmiederohling) zunächst eine umlaufende Nut einzubringen, um das Werkstück in axiale Bereiche zu gliedern und erst im Anschluss zueinander fluchtende Verzahnungen in den axialen Bereichen zu erzeugen, um auf diese Weise die Radanordnung bereitzustellen.
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Unabhängig vom Schritt des Bereitstellens der Radanordnung lässt sich das beschriebene Verfahren vorteilhaft ergänzen durch den weiteren Schritt des Einbringens einer Materialschwächung in den Verbindungsbereich zwischen dem ersten Stirnrad und dem zweiten Stirnrad, insbesondere durch Ausbilden einer Nut in eine innere Umfangsfläche des Verbindungsbereichs und/oder durch Vornahme einer Bohrung im Verbindungsbereich. Durch eine Materialschwächung im Verbindungsbereich lässt sich dessen elastisches Verhalten beeinflussen, insbesondere auf ein geeignetes Maß einstellen.
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Schließlich wird eine der zuvor genannten Aufgaben gelöst durch einen Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Es handelt sich dabei um einen Aktuator für einen verstellbaren Wankstabilisator eines Fahrzeugs, mit einer Antriebseinheit und einem davon antreibbaren Getriebe, insbesondere Planetengetriebe. Erfindungsgemäß ist der Aktuator mit zwei Stabilisatorabschnitten verbindbar, um diese gegeneinander verdrehen zu können und das Getriebe des Aktuators weist eine wie zuvor beschriebene Zahnradanordnung auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Daraus ergeben sich auch weitere Wirkungen und Vorteile der Erfindung. In der Zeichnung zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht eines verstellbaren Wankstabilisators, der an sich gegenüberliegende Radaufhängungen eines Fahrzeugs angelenkt ist,
- 2 einen Planetenträger, der als Teil eines Planetengetriebes eines Aktuators eines wie in 1 gezeigten verstellbaren Wankstabilisators eingebaut sein kann und in den mehrere erfindungsgemäße Zahnradanordnungen eingebaut sind,
- 3 ein Werkstück als Ausgangsbauteil für eine Zahnradanordnung in Schnittdarstellung,
- 4 ein Werkstück (Radanordnung) nach spanender Bearbeitung als Zwischenbauteil für eine Zahnradanordnung in Schnittdarstellung,
- 5 eine Zahnradanordnung im unbelasteten Zustand aus Axialrichtung,
- 6 eine Zahnradanordnung in alternativer Ausführung in schematischer Schnittdarstellung,
- 7 die Zahnradanordnung aus 6 in Ansicht aus Axialrichtung.
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Zunächst zeigt 1 zur Veranschaulichung des bevorzugten Einsatzgebietes der Erfindung einen verstellbaren Wankstabilisator 20 in schematischer Ansicht. Der Wankstabilisator 20 ist Teil eines nicht vollständig gezeigten Fahrwerks eines (nicht dargestellten) Fahrzeugs. Ein erstes Rad 21a und ein auf der gegenüberliegenden Fahrzeugseite angeordnetes zweites Rad 21b sind jeweils über einen Querlenker 22a bzw. 22b sowie weitere, aus Vereinfachungsgründen hier nicht dargestellte Fahrwerkkomponenten, mit dem Aufbau des Fahrzeugs verbunden. Rad 21a und Querlenker 22a bzw. Rad 21b und Querlenker 22b bilden somit - vereinfacht - jeweils eine Radaufhängung. Jede dieser Radaufhängungen ist an ein Ende eines zugehörigen Stabilisatorabschnitts 23a bzw. 23b des verstellbaren Wankstabilisators 20 gekoppelt. Die beiden Stabilisatorabschnitte 23a und 23b sind fahrzeugmittig über einen Aktuator 24 miteinander verbunden.
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Auf für sich gesehen bekannte Weise ist der Wankstabilisator 20 um eine Achse 25 drehbar gegenüber dem Fahrzeugaufbau gelagert (nicht gezeigt). Der Aktuator 24, hier vereinfacht dargestellt als zylindrischer Körper, umfasst im Wesentlichen ein Gehäuse, einen Elektromotor sowie ein Getriebe. Über den Elektromotor und das Getriebe stehen die Stabilisatorabschnitte 23a und 23b in Antriebsverbindung. Bei stehendem Elektromotor sind die beiden Stabilisatorabschnitte 23a, 23b über den Aktuator 24 starr miteinander verbunden. Durch Betrieb des Elektromotors lassen sich die Stabilisatorabschnitte 23a, 23b abhängig von der Drehrichtung des Elektromotors um die Achse 25 gegeneinander verdrehen. So lässt sich der Wankstabilisator 20 auf für sich gesehen bekannte Weise verstellen.
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Das im Aktuator 24 vorgesehene Getriebe umfasst typischerweise ein mehrstufiges Planetengetriebe. Insbesondere die abtriebsseitige Planetenradstufe, welche also drehfest mit einer der beiden Stabilisatorabschnitte verbunden ist, wird mechanisch bedingt hohen Drehmomenten ausgesetzt. Unter anderem bestehen daher hohe Anforderungen an die Gestaltung der Planetenräder dieser abtriebsseitigen Planetenstufe.
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2 zeigt zur Veranschaulichung einen Planetenträger 30, der Teil einer abtriebsseitigen Planetenstufe eines wie in 1 schematisch dargestellten verstellbaren Wankstabilisators 20 sein kann. Auf der Achse 25, welche der Drehachse des Wankstabilisators 20 gemäß 1 entspricht, ist ein Eingangsritzel 31 angeordnet. Dieses Eingangsritzel 31 ist einteilig ausgeführt mit einem innerhalb des Planetenträgers 30 angeordneten Sonnenrad, das in der Darstellung der 2 durch den Planetenträger 30 verdeckt ist. Um das Sonnenrad herum sind im gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt vier Zahnradanordnungen 1 angeordnet. Alternativ könnten auch drei oder mehr als vier Zahnräder um das Sonnenrad herum angeordnet sein. Jede der Zahnradanordnungen 1 ist jeweils um eine Rotationsachse 2 drehbar gegenüber dem Planetenträger 30 gelagert. Die Zahnradanordnungen 1 stehen jeweils in kämmendem Eingriff mit dem zentralen Sonnenrad. Im Einbauzustand des Planetenträgers 30 in das Gehäuse des Aktuators 24 (vergl. 1) stehen die vier Zahnradanordnungen 1 zudem in kämmendem Eingriff mit einem durch die innere Gehäusewand gebildeten Hohlrad.
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Wie 2 zu entnehmen, handelt es sich bei den vier Zahnradanordnungen 1 des Planetenträgers 30 jeweils um Planetenräder, die in ein erstes Stirnrad 3 und ein zweites Stirnrad 4, die auf einer gemeinsamen Rotationsachse 2 axial voneinander beabstandet sind, geteilt sind. Auf vorteilhafte Weise und unter Erzielung der erfindungsgemäßen Wirkungen ist der Planetenträger 30 mit den noch im Detail zu beschreibenden Zahnradanordnungen 1 ausgestattet. Wie anhand der nachfolgenden Figuren zu erläutern, können die Zahnradanordnungen 1 beispielsweise gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel (3 bis 5) oder gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel (6 und 7) ausgestaltet sein.
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Die 3 bis 5 stehen im Zusammenhang der Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. In der Reihenfolge der 3, 4, 5 wird der Herstellprozess einer Zahnradanordnung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Demnach zeigt 5 eine Zahnradanordnung 1 für ein Zahnradgetriebe im fertigen, unbelasteten Zustand. Als unbelasteter Zustand ist im Zusammenhang der Erfindung ein Zustand zu verstehen, in welchem die Zahnradanordnung 1 frei von äußerer Krafteinwirkung steht. Insbesondere befindet sich die Zahnradanordnung 1 demnach nicht in einem Einbauzustand innerhalb eines Getriebes (wie dies im Zustand gemäß 2 der Fall wäre). 5 zeigt demnach eine Zahnradanordnung 1 mit einem ersten Stirnrad 3 und einem zweiten Stirnrad 4. Die Stirnräder 3, 4 sind mit gemeinsamer Mittelachse 2, d. h. koaxial, so angeordnet, dass eine Verzahnung 7 des ersten Stirnrads 3 axial benachbart ist zu einer Verzahnung 8 des zweiten Stirnrads 4. Im gezeigten unbelasteten Zustand weist die Verzahnung 7 des ersten Stirnrads 3 gegenüber der Verzahnung 8 des zweiten Stirnrads 4 einen Versatz α in Umfangsrichtung auf. Erstes Stirnrad 3 und zweites Stirnrad 4 sind somit bezogen auf deren Verzahnungen 7, 8 um den Winkel α zueinander verdreht. Der Versatz α beruht auf einer plastischen Verformung eines sich in axialer Richtung zwischen dem ersten Stirnrad 3 und dem zweiten Stirnrad 4 erstreckenden Verbindungsbereichs 9. Da der Verbindungsbereich 9 in sich elastisch ist, lassen sich das erste Stirnrad 3 und das zweite Stirnrad 4 unter Krafteinwirkung bzw. Momenteneinwirkung, wie diese beispielsweise in einem Einbauzustand in ein Getriebe, wie in 2 gezeigt, erzwungen wird, elastisch so zueinander verdrehen, dass der Winkelversatz α auf 0 Grad reduziert wird, die Verzahnungen 7, 8 der Stirnräder 3, 4 somit fluchten.
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Der weitere Aufbau der Zahnradanordnung 1 des ersten Ausführungsbeispiels wird nun anhand der 3 und 4 näher erläutert. 3 zeigt ein Werkstück 13, das sich im Rahmen des Herstellprozesses der Zahnradanordnung 1 aus 5 als Ausgangsbauteil im Sinne eines Halbzeugs betrachten lässt. Es handelt sich um einen hohlzylindrischen metallischen Körper mit einem Durchgang 11, der sich entlang einer Mittelachse 2 durch das Werkstück 13 erstreckt. Das Werkstück 13 weist eine über dessen gesamte axiale Erstreckung durchgängige Verzahnung 12 auf, die um das Werkstück 13 umlaufend ist, das Werkstück 13 befindet sich demnach im Bearbeitungszustand eines Stirnrads 14.
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In einem darauffolgenden Bearbeitungsschritt wird in das Stirnrad 14 bzw. das Werkstück 13 eine umlaufende Nut 6 eingebracht, wodurch die ursprüngliche Verzahnung 12 des Stirnrads 14 in eine wie in 4 am Werkstück (Radanordnung) 13' dargestellte, einem ersten Stirnrad 3 zuordenbare Verzahnung 7 und eine einem zweiten Stirnrad 4 zuordenbare Verzahnung 8 getrennt wird. Gemäß der Darstellung in 4 weist das Werkstück (Radanordnung) 13' in dem dort gezeigten Bearbeitungszustand bereits eine Gliederung in drei Bereiche auf, nämlich das erste Stirnrad 3 mit der Verzahnung 7, das zweite Stirnrad 4 mit der Verzahnung 8 und einen zwischen dem ersten Stirnrad 3 und dem zweiten Stirnrad 4 befindlichen Verbindungsbereich 9. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Verbindungsbereich 9 in axialer Richtung zwischen erstem Stirnrad 3 und zweitem Stirnrad 4. Zur Erhöhung seiner Elastizität ist der Verbindungsbereich 9, wie in 4 zu sehen, zusätzlich mit einer Materialschwächung versehen, wozu in das hohlzylindrische Werkstück (Radanordnung) 13' im Verbindungsbereich 9 in dessen innerer Umfangsfläche eine Nut 5 eingebracht wurde. Es handelt sich dabei um eine umlaufende Nut, die in radialer Richtung das Material des Verbindungsbereichs 9 schwächt und somit die Elastizität dieses Bereichs erhöht. Zusätzlich könnten weitere Materialschwächungen des Verbindungsbereichs 9 vorgenommen werden, um die Elastizität dieses Bereiches in gewünschtem Maße zu beeinflussen.
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Das wie in 4 gezeigte Werkstück (Radanordnung) 13' ist vollständig spanend bearbeitet. Zur abschließenden Herstellung einer erfindungsgemäßen Zahnradanordnung wird das Werkstück (Radanordnung) 13' anschließend plastisch verformt. In 4 ist durch das Bezugszeichen 10 eine Trennebene bezeichnet, die sich senkrecht zur Mittelachse 2 des Werkstücks (Radanordnung) 13' erstreckt und mittig durch den Verbindungsbereich 9 verläuft. Beim plastischen Verformen wird das Werkstück (Radanordnung) 13' um die Mittelachse 2 tordiert. Dazu wird das erste Stirnrad 3 gegenüber dem zweiten Stirnrad 4 um die Mittelachse 2 verdreht, um in einem Endzustand der plastischen Verformung den wie in 5 gezeigten Versatz α zwischen der Verzahnung 7 des ersten Stirnrads 3 und der Verzahnung 8 des zweiten Stirnrads 4 zu erzielen. Die Verdrehung findet demnach im Wesentlichen statt im Bereich der Trennebene 10, d. h. in dem sich axial zwischen dem ersten Stirnrad 3 und dem zweiten Stirnrad 4 erstreckenden Verformungsbereich 9. Durch die vorgenommene plastische Verformung liegt schließlich mit dem Werkstück 13" (siehe 5) eine erfindungsgemäße Zahnradanordnung 1 vor.
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Es handelt sich dabei um eine Zahnradanordnung 1, die aus einem einzigen Werkstück gefertigt ist, wobei zu den einzelnen Herstellungsschritten auf die 3, 4 und 5 verwiesen wird, welche das Werkstück 13, das Werkstück (Radanordnung) 13' nach spanender Bearbeitung und schließlich das Werkstück 13" nach plastischem Verformen zeigen.
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Der sich axial zwischen erstem Stirnrad 3 und zweitem Stirnrad 4 in Axialrichtung erstreckende Verbindungsbereich 9 weist dabei in Bezug auf eine Verdrehbarkeit um die Mittelachse 2 eine Elastizität auf, wodurch es möglich ist, einen im unbelasteten Zustand der Zahnradanordnung 1 vorliegenden Versatz α in Umfangsrichtung zwischen der Verzahnung 7 des ersten Stirnrads 3 gegenüber der Verzahnung 8 des zweiten Stirnrads 4 durch Verdrehen der Stirnräder 3, 4 gegeneinander um die Mittelachse 2 zu verspannen. Der Verbindungsbereich 9 wirkt dabei wie eine auf Torsion beanspruchte Feder. Deren Rückstellkraft bzw. Rückstellmoment lässt sich durch mehrere Faktoren beeinflussen, wie insbesondere die geometrische Gestaltung der Nuten 5, 6 und/oder den Querschnitt des Verbindungsbereichs 9, die Werkstoffwahl für das Werkstück (Radanordnung) 13', eine Werkstoffbehandlung (insbesondere Wärmebehandlung), die Art (kaltverfestigt, warmumgeformt, etc.) und/oder das Maß der plastischen Verformung (Torsion).
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Die Wahl der einzelnen Parameter hängt vom jeweiligen Einsatzzweck der Zahnradanordnung 1 ab, wobei zweckmäßigerweise der Arbeitsbereich der durch den Verbindungsbereich 9 gebildeten Feder während des betrieblichen Einsatzes der Zahnradanordnung 1 im plastischen Verformungsbereich des Materials des Werkstücks 13" liegt. Grundsätzlich wird mit steigender plastischer Verformung während der Herstellung der Zahnradanordnung 1 eine höhere Verfestigung - und somit verringerte Elastizität - des Verbindungsbereichs 9 eintreten. Um eine hinreichende Elastizität zu erzielen, darf demnach die plastische Verformung zur Erzielung des Versatzes α nicht zu hoch gewählt werden.
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Die Zahnradanordnung 1 gemäß dem anhand der 3 bis 5 erläuterten Ausführungsbeispiel weist einen Durchgang 11 mit kreisrundem Querschnitt durch das Werkstück 13, 13' bzw. 13" auf. Zur drehbaren Lagerung der Zahnradanordnung 1 wird in das Werkstück 13" der Zahnradanordnung 1 zweckmäßigerweise ein oder mehrere Lagerkörper eingebracht, die wiederum gegenüber einem darin eingebrachten Bolzen (nicht gezeigt) gelagert sind. Bei derartigen Lagerkörpern handelt es sich beispielsweise um Wälzlager, insbesondere Nadellager, oder Gleitlager.
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In den 6 und 7 ist eine Zahnradanordnung 1 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In den 6 und 7 sind gleiche oder ähnlich wirkende Merkmale mit gleichen Bezugszeichen wie in den 3 bis 5 bezeichnet, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die dortigen Ausführungen verwiesen wird. Nachfolgend sei daher schwerpunktmäßig auf sich unterscheidende Merkmale eingegangen.
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Die 6 und 7 zeigen wieder eine Zahnradanordnung 1, die sich für den Einsatz innerhalb eines Planetengetriebes eignet. Insbesondere eignet sich die Zahnradanordnung 1 der 6 und 7 für einen Aktuator 24 eines verstellbaren Wankstabilisators 20 eines Fahrzeugs entsprechend der 1 und 2 sowie zugehöriger Beschreibung. 6 zeigt die Zahnradanordnung 1 im Querschnitt entlang der Mittelachse 2, während 7 die Zahnradanordnung in einer Ansicht aus Axialrichtung mit Blick auf das erste Stirnrad 3 zeigt. Wieder weist die Zahnradanordnung 1 ein erstes Stirnrad 3 und ein zweites Stirnrad 4 auf, die mit gemeinsamer Mittelachse 2 so angeordnet sind, dass eine Verzahnung 7 des ersten Stirnrads axial benachbart ist zu einer Verzahnung 8 des zweiten Stirnrads 4. Die Zahnradanordnung 1 ist aus einem einzigen metallischen Werkstück 13" gefertigt, wobei die Stirnräder 3, 4 um die Mittelachse 2 gegeneinander dreh- und verspannbar sind. Dazu ist das Werkstück 13" in drei Bereiche gegliedert, nämlich das erste Stirnrad 3, das zweite Stirnrad 4 sowie einen sich zwischen den Stirnrädern 3, 4 befindlichen Verbindungsbereich 9.
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Als ein wesentlicher Unterschied gegenüber dem in den 3 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das zweite Stirnrad 4 jedoch einen Axialabschnitt 15 auf, der in das erste Stirnrad 3 hineinragt. Der Verbindungsbereich 9 erstreckt sich demnach in radialer Richtung zwischen dem Axialabschnitt 15 des zweiten Stirnrads und dem ersten Stirnrad 3. Der Verbindungsbereich 9 weist somit eine hohlzylindrische oder hülsenartige Form auf und grenzt mit einer inneren Mantelfläche an den Axialabschnitt 15 des zweiten Stirnrads 4 und mit einer äußeren Mantelfläche an das erste Stirnrad 3 an.
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Für die Herstellung der Zahnradanordnung 1 gemäß dem in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiel werden grundsätzlich ähnliche Schritte durchlaufen wie für die Herstellung gemäß 3 bis 5. So wird zunächst, wie in 3 gezeigt, ein Stirnrad mit durchgängiger Verzahnung gefertigt. Anschließend wird eine Nut 6 in das Stirnrad eingebracht, um die Verzahnung in eine dem ersten Stirnrad 3 zuordenbare Verzahnung 7 und eine dem zweiten Stirnrad 4 zuordenbare Verzahnung 8 zu trennen. Zur Erleichterung einer späteren plastischen Verformung werden in den Verbindungsbereich 9 zwischen erstem Stirnrad 3 und zweitem Stirnrad 4 eine Vielzahl von in Axialrichtung verlaufenden Bohrungen 18 eingebracht, die im gezeigten Ausführungsbeispiel gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Anschließend wird das erste Stirnrad 3 gegenüber dem zweiten Stirnrad 4 um die Mittelachse 2 verdreht, um durch plastisches Verformen im Verbindungsbereich 9 einen Versatz α (vergl. 5) zwischen der Verzahnung 7 des ersten Stirnrads 3 und der Verzahnung 8 des zweiten Stirnrads 4 zu erzielen.
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6 zeigt einen durch den Durchgang 11 der Zahnradanordnung 1 hindurchgeführten Bolzen 19, auf dem sich die Zahnradanordnung 1 mittels eines einteiligen Lagerkörpers abstützt, um gegenüber dem Bolzen 19 drehbar gelagert zu sein. Es kann sich bei dem Lagerkörper 26 um ein Wälzlager, insbesondere Nadellager oder ein Gleitlager handeln. Im Übrigen lassen sich mit der Zahnradanordnung 1 gemäß dem in 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ähnliche Wirkungen und Vorteile erzielen wie mit der Zahnradanordnung 1 gemäß dem anhand der 3 bis 5 erläuterten Ausführungsbeispiel. Insbesondere wird durch die Zahnradanordnungen beider Ausführungsbeispiele aufgrund der reduzierten Teileanzahl der Herstell- und Montageaufwand gegenüber aus dem Stand der Technik bekannter Zahnradanordnungen reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnradanordnung
- 2
- Mittelachse, Rotationsachse
- 3
- erstes Stirnrad
- 4
- zweites Stirnrad
- 5
- Nut
- 6
- Nut
- 7
- Verzahnung
- 8
- Verzahnung
- 9
- Verbindungsbereich
- 10
- Trennebene
- 11
- Durchgang
- 12
- durchgängige Verzahnung
- 13
- Werkstück
- 13'
- Radanordnung (= Werkstück nach spanender Bearbeitung)
- 13"
- Werkstück (nach plastischem Verformen)
- 14
- Stirnrad
- 15
- Axialabschnitt
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Umfangsabschnitt
- 18
- Bohrung
- 19
- Bolzen
- 20
- Wankstabilisator
- 21a
- Rad
- 21b
- Rad
- 22a
- Querlenker
- 22b
- Querlenker
- 23a
- Stabilisatorabschnitt
- 23b
- Stabilisatorabschnitt
- 24
- Aktuator
- 25
- Achse
- 26
- Lagerkörper
- 30
- Planetenträger
- 31
- Eingangsritzel