DE102013008484A1

DE102013008484A1 - Temperaturbelastbare Zahnradanordnung, Zahnrad für eine temperaturbelastbare Zahnradanordnung sowie Verwendung eines Zahnrades in einer Zahnradanordnung

Info

Publication number: DE102013008484A1
Application number: DE102013008484.9A
Authority: DE
Inventors: Volker Cornelius
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-05-18
Filing date: 2013-05-18
Publication date: 2014-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine temperaturbelastete Zahnradanordnung sowie ein Zahnrad für eine derartige Zahnradanordnung. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Zahnrades in einer Zahnradanordnung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine temperaturbelastbare Zahnradanordnung sowie ein Zahnrad für eine temperaturbelastbare Zahnradanordnung zur Verfügung zu stellen, mittels welchen temperaturbedingte Abstandsänderungen einfach und zuverlässig ausgleichbar sind und welche positive akustische Eigenschaften aufweisen. Eine erfindungsgemäße temperaturbelastbare Zahnradanordnung (10) umfasst ein erstes Zahnrad (12) und ein zweites Zahnrad (14), das mit dem ersten Zahnrad (12) im Eingriff steht, wobei das erste Zahnrad (12) und/oder das zweite Zahnrad (14) in radialer Richtung elastisch ausgebildet ist und wobei der Abstand zwischen dem ersten Zahnrad (12) und dem zweiten Zahnrad (14) bei sich verändernden Betriebstemperaturen variiert. Dabei ist der Abstand der Drehachse des ersten Zahnrades (12) zu der Drehachse des zweiten Zahnrades (14) unabhängig von der Betriebstemperatur so gewählt, dass er stets kleiner ist als die Summe der Radien des ersten Zahnrades (12) und des zweiten Zahnrades (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine temperaturbelastete Zahnradanordnung sowie ein Zahnrad für eine derartige Zahnradanordnung. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Zahnrades in einer Zahnradanordnung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anordnung eines in einem Zylinderkurbelgehäuse gelagerten Zahnrades, das ein Antriebszahnrad einer Ölpumpe antreibt. Mit „temperaturbelastbar” ist gemeint, dass die Zahnradanordnung in einem Umfeld einsetzbar sein soll, in welchem es aufgrund regelmäßig auftretender Temperaturschwankungen zu Abstandsänderungen zwischen den Zahnrädern kommen kann. Diesbezüglich wird beispielhaft auf die bereits genannte Anordnung eines in einem Zylinderkurbelgehäuse gelagerten Zahnrades und einem damit im Eingriff stehenden Antriebszahnrad einer Ölpumpe verwiesen. Eine solche Anordnung unterliegt häufig Temperaturschwankungen von –30°C bis 130°C. In Abhängigkeit der verwendeten Werkstoffe kann es dadurch zu Abstandsänderungen von ca. 50 μm bis 250 μm kommen.
Aus DE 10 2001 0101 781 A1 ist eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Getriebe und mit einer ausgangsseitig des Getriebes angeordneten Stellwelle bekannt, mittels welchen das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist und zwischen welchen ein Drehmoment übertragbar ist. Das Getriebe und die Stellwelle sind miteinander verbunden, wobei ein Entkopplungselement zur Schwingungsentkoppelung vorgesehen ist. Es wird unter anderem vorgeschlagen, das Entkopplungselement in radialer Richtung elastisch verformbar auszubilden, um Stoßbeanspruchungen, wechselnde Drehmomente und radiale Abstandsänderungen abzumildern und vom Getriebe möglichst fernzuhalten.
Aus DE 101 16 236 A1 ist ein mehrteiliges Zahnrad aus einem Innenteil und einem ringförmigen, außenumfangsseitig mit Zähnen versehenen Außenteil bekannt, wobei das Außenteil das Innenteil mit radialem Abstand außenumfangsseitig umschließt und wobei in dem durch den Abstand gebildeten Spalt zumindest ein Federkörper aus einem elastomeren Werkstoff angeordnet ist. Durch die Anordnung eines elastomeren Werkstoffes zwischen Innenteil und Außenteil soll die Schallstrahlung in die Umgebung minimiert sein.
Aus DE 103 16 608 B3 ist ein mehrteilig aus einem Zahnkranz und einem damit verbundenen Mitnehmerblech aufgebautes Kettenrad bekannt, das zur Schwingungsdämpfung als Mitnehmerblech ein Federstahl-Blechteil mit elastischen Materialeigenschaften aufweist. Durch das Federstahl-Blechteil sollen insbesondere Kettenanregungen eines Kettenantriebs zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle gedämpft werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine temperaturbelastbare Zahnradanordnung sowie ein Zahnrad für eine temperaturbelastbare Zahnradanordnung zur Verfügung zu stellen, mittels welchen temperaturbedingte Abstandsänderungen einfach und zuverlässig ausgleichbar sind und welche positive akustische Eigenschaften aufweisen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 5 bzw. 15.
Eine erfindungsgemäße temperaturbelastbare Zahnradanordnung umfasst ein erstes Zahnrad und ein zweites Zahnrad, das mit dem ersten Zahnrad im Eingriff steht, wobei das erste Zahnrad und/oder das zweite Zahnrad in radialer Richtung elastisch ausgebildet ist und wobei der Abstand zwischen dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad bei sich verändernden Betriebstemperaturen variiert. Dabei ist der Abstand der Drehachse des ersten Zahnrades zu der Drehachse des zweiten Zahnrades unabhängig von der Betriebstemperatur so gewählt, dass er stets kleiner ist, als die Summe der Radien des ersten Zahnrades und des zweiten Zahnrades. Mit „Drehachse” ist die Mittelachse Welle gemeint, auf welcher das jeweilige Zahnrad fixiert ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird das elastisch ausgebildete erste Zahnrad und/oder das elastisch ausgebildete zweite Zahnrad durch eine permanente elastische Verformung desachsiert. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der elastischen Ausbildung des ersten Zahnrades und/oder des zweiten Zahnrades eine Einstellung des Abstandes der Drehachsen nicht erforderlich ist, da temperaturbedingte Abstandsänderungen zwischen den Zahnrädern vollständig durch die Elastizität und die Desachsierung ausgeglichen werden können. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Zahnradanordnung besteht darin, dass die Akustik der Zahnräder sich nicht oder nur unwesentlich verändert, da unabhängig von der aktuellen Betriebstemperatur eine permanente radiale Belastung der Zahnräder erfolgt.
In einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zahnrades sind mehrere Ausnehmungen ausgebildet, die durch von einem inneren Ring zu einem äußeren Ring führende Stege voneinander getrennt sind. Der innere Ring ist dabei entweder unmittelbar oder über ein Innenteil drehfest mit einer Welle verbunden. An dem äußeren Ring kann entweder selbst eine Verzahnung ausgebildet sein, oder der äußere Ring ist mit einem Außenteil verbunden, an welchem eine Verzahnung ausgebildet ist.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform weist die Erstreckungsrichtung der Stege gegenüber der radialen Richtung einen Stegwinkel W von mindestens 10° auf. Bevorzugt ist der Stegwinkel W größer als 20° und besonders bevorzugt größer als 40°. Der Stegwinkel W kann auch größer als 60° oder größer als 80° gewählt werden. Je größer der Stegwinkel W gewählt wird, desto geringer ist der Einfluss des Steges auf die Steifigkeit in radialer Richtung, d. h. desto größer ist die Elastizität in radialer Richtung. Mit der Erstreckungsrichtung ist die Gerade durch die geometrischen Mitten der Verbindungsbereiche eines Steges mit dem inneren Ring bzw. mit dem äußeren Ring gemeint. Der relevante Stegwinkel W wird gegenüber der Geraden von dem geometrischen Mittelpunkt des Zahnrades durch die geometrischen Mitte des Verbindungsbereichs mit dem inneren Ring gemessen. Dies wird in Verbindung mit der nachfolgenden Figurenbeschreibung (insbesondere 7) noch anhand eines Beispiels erläutert.
Eine erfindungsgemäße Zahnradanordnung eignet sich insbesondere für den Antrieb einer Ölpumpe eines Kraftfahrzeuges. Dazu ist das erste Zahnrad insbesondere ein Antriebszahnrad einer Ölpumpe eines Kraftfahrzeuges und das zweite Zahnrad ein von einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges angetriebenes Zahnrad. Abstandsänderungen im Bereich der Zahnflanken bzw. der Drehachsen ergeben sich in diesem Fall insbesondere, wenn die Zahnräder aus Stahl eines Ölpumpenantriebes mit einem Zylinder-Kurbelgehäuse aus Aluminium kombiniert werden.
In einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zahnradanordnung sind das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad mindestens für Betriebstemperaturen zwischen 0°C und 100°C ausgelegt. Bevorzugt erfolgt die Auslegung für einen Temperaturbereich zwischen –20°C und 120°C und besonders bevorzugt für einen Temperaturbereich zwischen –30°C und 130°C. Die angegebenen Temperaturbereiche verstehen sich als Mindestgrenzen und beziehen sich auf typische Betriebstemperaturbereiche von Zahnrädern eines Ölpumpenantriebes in Kraftfahrzeugen. Für den Einsatz in anderen technischen Bereichen können andere Temperaturbereiche gewählt werden.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zahnradanordnung ist die durch die elastische Verformung resultierende Kraft aufgrund der Auslegung des ersten Zahnrades, des zweiten Zahnrades und des gewählten Abstandes der Drehachsen kleiner als 500 N. Bevorzugt ist die Kraft kleiner als 400 N und besonders bevorzugt kleiner als 300 N. Die angegebene Kraft bezieht sich auf die Maximalkraft, welche aus der radialen Vorspannung und zusätzlichen, temperaturbedingten Abstandsänderungen resultiert. Hinsichtlich des Temperaturbereiches wird insbesondere auf die vorstehend genannten Temperaturgrenzen verwiesen. Die Begrenzung der maximal auftretenden Kraft auf die vorstehend genannten Werte oder auch kleineren Werte, wie z. B. 250 N, 200 N, 150 N oder 100 N, hat insbesondere dann Vorteile, wenn die Wellen und/oder die Lager des ersten Zahnrades bzw. des zweiten Zahnrades von aus dem Stand der Technik bekannten Zahnradanordnungen unverändert übernommen werden können und eine diesbezügliche neue Konstruktion und Auslegung erspart bleibt.
Die Erfindung betrifft auch ein Zahnrad für eine Zahnradanordnung, welche als Federmittel zur Erzielung einer über den Umfang im Wesentlichen gleichmäßig verteilten Elastizität in radialer Richtung mindestens eine Ausnehmung ausgebildet ist. Unter ”im Wesentlichen gleichmäßig verteilt” werden Abweichungen von maximal 50 Prozent vom Mittelwert bei einem Federweg (Desachsierung) von 0,2 Prozent des Radius verstanden. Dies entspricht bei einem Zahnrad mit einem Radius von 50 mm einem Federweg von 100 μm. Beträgt die mittlere Kraft für diesen Federweg über den Umfang beispielsweise 200 N, gilt die Elastizität als „im Wesentlichen gleichmäßig über den Umfang verteilt”, wenn für einen Federweg an jedem Umfangspunkt die Kraft zwischen 100 N (50%) und 300 N (150%) liegt. Bevorzugt ist die Abweichung vom Mittelwert kleiner als 30 Prozent, besonders bevorzugt kleiner als 20 Prozent.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zahnrades sind die Federmittel für elastische Verformungswege (Desachsierung) in radialer Richtung von mindestens 50 μm ausgelegt. Bevorzugt sind die Federmittel für elastische Verformungswege von mindestens 75 μm und besonders bevorzugt mindestens 100 μm ausgelegt. Die genannten Werte sind insbesondere für Zahnräder mit einem Radius von 50 mm bis 150 mm geeignet. Allgemein formuliert sind elastische Verformungen im Bereich von ca. 0,1 Prozent bis 1 Prozent des Radius besonders bevorzugt.
Die Federmittel können derart ausgebildet sein, dass diese eine lineare, eine konstante oder eine progressive Federkennlinie bei Verformung in radialer Richtung bewirken. Dies kann insbesondere durch die geometrische Gestaltung der Ausnehmung (EN) beeinflusst werden. Federkennlinien haben den Vorteil, dass einer vollständigen Ausschöpfung der Elastizität in radialer Richtung aufgrund der mit zunehmender Verformung steigenden Widerstandskraft entgegengewirkt wird. Um in einem Teilbereich bereits bei relativ geringen Kräften große Wege zu ermöglichen und gleichzeitig ein vollständiges Ausschöpfen der durch die Ausnehmung (EN) bewirkten Elastizität zu ermöglichen, sollte es bevorzugt sein, dass die Federkennlinie der Federmittel eine Knickstelle aufweist. Auf diese Ausführungsform wird nachfolgend noch im Detail Bezug genommen.
Eine besonders gleichmäßige über den Umfang verteilte Elastizität ergibt sich insbesondere, wenn mehrere Ausnehmungen gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Derartige Ausnehmungen können insbesondere kreisförmig, dreieckig, viereckig oder n-eckig ausgebildet sein.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zahnrades erstrecken sich die Ausnehmungen in Umfangsrichtung. Damit ist gemeint, dass die Haupterstreckungsrichtung der Ausnehmungen in Umfangsrichtung verläuft oder maximal eine Abweichung von +/–30°, bevorzugt +/–15° zur Umfangsrichtung aufweist.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zahnrades ist das Zahnrad mehrteilig ausgebildet. Dies kann insbesondere in der Form erfolgen, dass die Verzahnung des Zahnrades an einem als Hohlrad ausgebildeten Außenteil ausgebildet ist und das Außenteil innenseitig drehfest mit mindestens einem Innenteil verbunden ist, wobei in dem mindestens einen Innenteil mindestens eine Ausnehmung zur Erzielung der gewünschten Elastizität aufweist. Die mehrteilige Ausbildung hat den weiteren Vorteil, dass für das Außenteil und das mindestens eine Innenteil verschiedene Werkstoffe verwendet werden können. Eine besonders hohe und insbesondere über den Umfang verteilte, gleichmäßige Elastizität ergibt sich, wenn mehrere Ausnehmungen, insbesondere gleichmäßig über den Umfang verteilt, ausgebildet sind. Unter ”sich in radialer Richtung überlappend” ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass mindestens eine von der Drehachse des Zahnrades zum Umfang führende gerade virtuelle Ebene existiert, welche mindestens zwei Ausnehmungen schneidet. Wenn dies für jede von der Drehachse radial nach außen führende Ebene gilt, wird eine besonders hohe und gleichmäßige Elastizität erzielt. Die Ausnehmungen können auch mehrfach überlappend ausgebildet sein, so dass einige oder alle sich von der Drehachse radial nach außen erstreckenden Halbebenen drei, vier oder mehr Ausnehmungen schneiden.
Eine sich in radialer Richtung überlappende Anordnung von Ausnehmungen ergibt sich immer dann, wenn die Zahl der Ausnehmungen n beträgt, die Ausnehmungen geometrisch identisch gestaltet und gleichmäßig über den Umfang verteilt sind und der Winkelbereich α der Ausnehmungen größer ist als der Quotient aus 360° und n. Derartig ausgebildete Zahnräder sind aufgrund ihrer hohen und – häufig über den Umfang besonders gleichmäßig verteilten – Elastizität besonders geeignet.
Bevorzugt ist es, wenn das Produkt aus n und dem vorstehend genannten Winkelbereich α mindestens 520° beträgt, besonders bevorzugt beträgt dieses Produkt mindestens 720°. Der letzt genannte Fall (Produkt beträgt mindestens 720°) ist gleichbedeutend damit, dass jede virtuelle, vom Drehpunkt ausgehende Halbebene mindestens zwei Ausnehmungen schneidet.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zahnrades weist die mindestens eine Ausnehmung mindestens eine Verjüngung auf, welche so angeordnet ist, dass sich eine zweistufige Elastizität bei elastischer Verformung des Zahnrades in radialer Richtung ergibt. Dies kann insbesondere dadurch bewirkt werden, dass ein oder mehrere Vorsprünge innerhalb einer Ausnehmung lokal ausgebildet sind. Derartige Vorsprünge sind vorzugsweise ebenfalls gleichmäßig über den Umfang verteilt.
Es wird darauf verwiesen, dass jedes vorstehend beschriebene Zahnrad mit jeder vorstehend beschriebenen Zahnradanordnung kombinierbar ist. Die Erfindung betrifft insofern auch die Verwendung eines wie vorstehend beschriebenen Zahnrades in einer wie vorstehend beschriebenen Zahnradanordnung.
Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zahnradanordnung,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrades,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrades,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrades,
5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrades,
6 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrades,
7 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrades,
8 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrades und
9 ein achtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrades.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Zahnradanordnung 10 mit einem ersten Zahnrad 12 und einem zweiten Zahnrad 14. Mit der gestrichelten Linie 16 sind die Zähne des ersten Zahnrades 12 angedeutet. Mit der gestrichelten Linie 18 sind die Zähne des zweiten Zahnrades 14 angedeutet. Das erste Zahnrad 12 weist den Radius r₁ auf, das zweite Zahnrad 14 weist den Radius r₂ auf.
Wie zu erkennen ist, stehen das erste Zahnrad 12 und das zweite Zahnrad 14 miteinander im Eingriff.
Mit M₁ bzw. M₂ sind der geometrische Mittelpunkt des ersten Zahnrades 12 bzw. zweiten Zahnrades 14 gekennzeichnet. Mit D₁ bzw. D₂ sind die Drehachsen des ersten Zahnrades 12 bzw. zweiten Zahnrades 14 gekennzeichnet. Die Drehachse D₁ des ersten Zahnrades 12 ist um den Betrag x verschoben (Desachsierung). Die Drehachse D₂ des zweiten Zahnrades 14 stimmt mit dem Mittelpunkt M₂ des zweiten Zahnrades 14 überein. Die Desachsierung des ersten Zahnrades 12 resultiert aus einer elastischen Ausbildung im Bereich zwischen der Lagerung und der am Umfang ausgebildeten Verzahnung. Die Desachsierung erfolgt bereits bei der Montage, indem das erste Zahnrad 12 und das zweite Zahnrad 14 in radialer Richtung gegeneinander verspannt werden. Die Zahnradanordnung 10 ist so ausgelegt, dass der Abstand x (Desachsierung) während des Betriebes innerhalb eines vorgegebenen Betriebs-Temperaturbereichs stets positiv ist, so dass an den Berührungspunkten des ersten Zahnrades 12 und des zweiten Zahnrades 14 stets Kräfte in Richtung der Drehachsen D₁ bzw. D₂ wirken.
Alternativ zu der in 1 schematisch wiedergegebenen Zahnradanordnung 10 kann eine Desachsierung auch ausschließlich seitens des zweiten Zahnrades 14 oder aber seitens beider Zahnräder 12, 14 erfolgen, wenn die zu desachsierenden Zahnräder 12, 14 entsprechend ausgelegt sind. Auf konkrete geometrische Auslegungsvarianten von desachsierbaren Zahnrädern wird nachfolgend in Verbindung mit den 2–9 im Detail Bezug genommen.
Identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente werden im Folgenden mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1. Da sämtliche nachfolgend beschriebenen Zahnräder – wie das erste Zahnrad 12 in 1 – in radialer Richtung elastisch ausgebildet sind und somit Beispiele für erste Zahnräder 12 sind, werden diese ebenfalls mit dem Bezugszeichen 12 versehen.
Das in 2 gezeigte Zahnrad 12 ist mehrteilig aufgebaut. Es umfasst ein Außenteil 20 mit einer Außenverzahnung 22, ein sich radial nach innen anschließendes Mittelteil 24 und ein sich an das Mittelteil 24 radial innenseitig anschließendes Innenteil 26. Das Außenteil 20, das Mittelteil 24 und das Innenteil 26 sind drehfest miteinander verbunden. In der gezeigten Ausführungsform sind das Außenteil 20 und das Innenteil 26 aus Stahl hergestellt, während das Mittelteil 24 aus einem Kunststoff, insbesondere aus PA6.6 GF30, hergestellt ist. In dem Mittelteil 24 sind insgesamt sechs dreieckige Ausnehmungen 28 ausgebildet, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Die gestrichelte Linie 30 soll eine virtuelle, sich von der Drehachse radial nach außen erstreckende Halbebene darstellen. Wie zu erkennen ist, schneidet die Linie 30 zwei Ausnehmungen 28. Die Ausnehmungen 28 sind daher in radialer Richtung teilweise überlappend angeordnet. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Elastizität in radialer Richtung. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform beträgt der Volumenanteil der Ausnehmungen 28 im Vergleich zu dem Materialvolumen des Mittelteils 24 ca. 50 Prozent. Aufgrund der gewünschten Elastizität ist bei einem wie in 2 dargestellten Aufbau eines erfindungsgemäßen Zahnrades 12 ein Volumenanteil von mindestens 30 Prozent, bevorzugt mindestens 50 Prozent und besonders bevorzugt mindestens 60 Prozent geeignet. Durch die Form der Ausnehmungen 28 ergeben sich in den Bereichen zwischen den Ausnehmungen 28 Stege 34 mit im Wesentlichen gleichbleibender Breite.
Die 3–9 zeigen weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Zahnräder 12. Es wird darauf hingewiesen, dass in den 3–8 aus Vereinfachungsgründen auf die Darstellung der Verzahnung bzw. des Außenteils verzichtet wurde.
Im Folgenden wird insbesondere auf die Unterschiede zu dem in 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform sind insgesamt sechs kreisförmige Ausnehmungen 28 gleichmäßig über den Umfang verteilt ausgebildet. Die Ausnehmungen 28 überlappen sich in radialer Richtung nicht. Dadurch ergibt sich eine größere Schwankung der Elastizität über den Umfang, welche insbesondere daraus resultiert, dass die Elastizität in dem Bereich zwischen zwei Ausnehmungen 28 ausschließlich durch die Kompression des verwendeten Materials im Mittelteil 24 zustande kommt, während im Bereich der Ausnehmungen 28 die Elastizität durch die Ausnehmungen 28 erhöht ist. Ferner ist die Breite der Stege 34 in der in 3 gezeigten Ausführungsform aufgrund der Form der Ausnehmungen 38 in einem mittleren Bereich schmal. Sie vergrößert sich von dem mittleren Bereich nach innen bzw. nach außen.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrades 12 mit ebenfalls sechs Ausnehmungen 28. Die Ausnehmungen 28 sind geometrisch gleich ausgebildet wie bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel. Anders als bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind jedoch das Mittelteil 24 und das Außenteil 20 in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel einstückig ausgebildet und somit aus dem gleichen Werkstoff hergestellt. Um die Elastizität in radialer Richtung im Bereich des Außenteils 20 zu vergrößern und Verformungen in radialer Richtung im Bereich der nicht dargestellten Verzahnung zu vermeiden, ist die Breite im Bereich des Außenteils 20 in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel gegenüber der Breite des Mittelteils 24 vergrößert. Mit „Breite” ist die in die Blattebene weisende Dimension gemeint, deren Maß in 4 weder qualitativ noch quantitativ erkennbar ist.
Mit dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel soll gezeigt werden, dass die Geometrie der Ausnehmungen 28, die Stegbreite zwischen den Ausnehmungen 28 und die Größe der Ausnehmungen 28 zur Auslegung der Elastizität variierbar sind. Ebenfalls variierbar sind die Werkstoffe, insbesondere der Werkstoff für das Mittelteil 24, sowie die Anordnung der Ausnehmungen 28 innerhalb des Mittelteils 24.
In dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Krümmung der Ausnehmung 28 vergrößert, um eine größere Überlappung der Ausnehmung in radialer Richtung zu erzielen. Dies zeigt sich besonders beim Vergleich der durch gestrichelten Linien 30 visualisierten Halbebenen.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrades 12 mit insgesamt vier Ausnehmungen 28. Wie an der gestrichelten Linie 30 erkennbar ist, sind auch bei diesem Zahnrad 12 die Ausnehmungen 28 so angeordnet, dass sie sich – in radialer Richtung betrachtet – teilweise überlappen.
Mit Hilfe von 7 soll auch der Begriff des Stegwinkels W erläutert werden. Der Stegwinkel W ist in 7 der Winkel zwischen der maßgeblichen Geraden G und der Geraden S.
Die Gerade G verläuft durch den geometrischen Mittelpunkt M₁ des Zahnrades 12 und die geometrische Mitte M_i zweier Punkte P₁ und P₂ auf der äußeren Begrenzung des inneren Rings 38. Die äußere Begrenzung des inneren Rings ist als gestrichelte Linie dargestellt. P₁ und P₂ sind Schnittpunkte des Steges 34 mit der äußeren Begrenzung des inneren Rings 38.
Die Gerade S verläuft durch den Punkt M_i und durch den Punkt M_a, wobei M_a die geometrische Mitte der Punkte P₃ und P₄ ist. P₃ und P₄ sind Schnittpunkte des Steges 34 mit der inneren Begrenzung des äußeren Rings 32. Die innere Begrenzung des äußeren Rings 32 ist ebenfalls gestrichelt dargestellt.
Der Stegwinkel W beträgt in dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ca. 90°.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrades 12 mit vier Ausnehmungen 28, welche gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Jede Ausnehmung 28 erstreckt sich über einen Winkelbereich α von nahezu 270°. Das Produkt aus der Zahl der Ausnehmungen (hier: n = 4) und dem vorstehend genannten Winkelbereich beträgt daher im vorliegenden Fall nahezu 1080°. Dadurch ergibt sich über den Umfang an jeder Stelle des Zahnrades 12 eine – in radialer Richtung betrachtet – nahezu dreifache Überlappung. In den meisten Bereichen ergibt sich bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrades 12 eine dreifache Überlappung der Ausnehmung 28, wie beispielsweise an der gestrichelten Linie 30 erkennbar ist.
Jede der Ausnehmungen 28 des in 8 gezeigten Ausführungsbeispiels weist einen im Wesentlichen spiralförmigen Verlauf von einem äußeren Ring 32 des Mittelteils 24 zu dem einstückig mit dem Mittelteil 24 ausgebildeten Innenteil 26 auf. Das Innenteil 26 weist wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen eine kreisringförmige Grundform auf. Die Ausnehmungen 28 ergeben sich bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel durch Stege 34, die in radialer Richtung von dem äußeren Ring 32 des Mittelteils 24 weg führen, dann einen spiralförmigen Verlauf über etwa 180° aufweisen und schließlich radial zu dem Innenteil 26 geführt sind.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zahnrades 12, dessen Geometrie auf der Geometrie des in 8 gezeigten Ausführungsbeispieles basiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Anschlussbereich zwischen den Stegen 34 und dem äußeren Ring 32 des Mittelteils 24 breiter ausgebildet. Ferner sind in diesem Bereich sich im Wesentlichen in radialer Richtung nach innen erstreckende Vorsprünge 36 ausgebildet. Die Vorsprünge 36 führen dazu, dass die sich an die Vorsprünge 36 radial nach innen anschließenden Stege 34 an diesen Vorsprüngen 36 abstützen, bevor die durch die Ausnehmungen 28 bewirkte Elastizität aufgrund einer Blocklage vollständig erschöpft ist. Dadurch ergibt sich eine zweistufige Federkennlinie hinsichtlich der Elastizität des Zahnrades 12 in radialer Richtung.
Eine zweistufige Federkennlinie, die insbesondere durch die in 9 gezeigt Ausführungsform bewirkt werden kann, hat den Vorteil, dass die Federsteifigkeit des Zahnrades 12 in radialer Richtung nicht über alle Wege konstant ist, sondern durch Dimensionierung der Vorsprünge 36 auf den Einsatzzweck angepasst werden kann. Für das eingangs genannte Beispiel eines Ölpumpenantriebes kann das in 9 gezeigte Zahnrad 12 beispielsweise so ausgelegt werden, dass bei sehr niedrigen Temperaturen die Vorsprünge 36 zur Anlage mit den sich radial anschließenden Stegen 34 kommen und die Federsteifigkeit dadurch erhöht wird. So kann für sehr häufig auftretende Betriebsbereiche (z. B. Temperaturen zwischen –5°C und 130°C) eine geringe Federsteifigkeit eingestellt werden und für seltener auftretende Betriebszustände (z. B. Temperaturen zwischen –30°C und –5°C) eine erhöhte Federsteifigkeit eingestellt werden. Bei niedrigen Temperaturen federt das elastisch ausgebildete Zahnrad 12 einer erfindungsgemäßen Zahnradanordnung 10 besonders tief ein. Gleichzeitig steigt das erforderliche Antriebsmoment der Ölpumpe. Durch die Vorsprünge 36 und die dadurch reduzierte Elastizität (erhöhte Steifigkeit) kann in diesem Betriebszustand einem Überspringen der Zähne von miteinander im Eingriff stehenden Zahnrädern 12, 14 vorgebeugt werden.
Wie in den 2–9 zu erkennen ist, schließt sich an die Ausnehmungen 28 eines erfindungsgemäßes Zahnrades 12 in allen beschriebenen Ausführungsformen – unabhängig von Bauform (einteilig oder mehrteilg) in radialer Richtung außen ein äußerer Ring 32 und innen ein innerer Ring 38 an, wobei an dem äußeren Ring 32 auch unmittelbar die Verzahnung 22 ausgebildet sein kann und der innere Ring 38 auch zur Lagerung als Innenteil 26 ausgebildet sein kann.
Die Erfindung ist grundsätzlich für alle Zahnradverbindungen verwendbar. Aufgrund der Dauerwechselbeanspruchbarkeit von Stahl ist dieser Werkstoff für ein erfindungsgemäßes Zahnrad 12 und eine erfindungsgemäße Zahnradanordnung 10 besonders geeignet. Es können jedoch auch andere geeignete Werkstoffe, insbesondere Kunststoffe oder metallische Werkstoffe, verwendet oder mit Stahl kombiniert werden.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Zahnradanordnung
12: (erstes) Zahnrad
14: (zweites) Zahnrad
16: gestrichelte Linie (symbolisch für die Zähne des ersten Zahnrades)
18: gestrichelte Linie (symbolisch für die Zähne des zweiten Zahnrades)
20: Außenteil
22: Außenverzahnung
24: Mittelteil
26: Innenteil
28: Ausnehmung
30: gestrichelte Linie
32: äußerer Ring
34: Steg
36: Vorsprung
38: innerer Ring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1020010101781 A1 [0002]
DE 10116236 A1 [0003]
DE 10316608 B3 [0004]

Claims

Temperaturbelastbare Zahnradanordnung umfassend ein erstes Zahnrad (12) und ein zweites Zahnrad (14), das mit dem ersten Zahnrad (12) im Eingriff steht, wobei das erste Zahnrad (12) und/oder das zweite Zahnrad (14) in radialer Richtung elastisch ausgebildet ist und wobei der Abstand zwischen dem ersten Zahnrad (12) und dem zweiten Zahnrad (14) bei sich verändernden Betriebstemperaturen variiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Drehachse des ersten Zahnrades (12) zu der Drehachse des zweiten Zahnrades (14) unabhängig von der Betriebstemperatur so gewählt ist, dass er stets kleiner ist als die Summe der Radien des ersten Zahnrades (12) und des zweiten Zahnrades (14).
Zahnradanordnung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zahnrad (12) ein Antriebszahnrad einer Ölpumpe eines Kraftfahrzeuges ist und das zweite Zahnrad (14) von einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges angetrieben ist.
Zahnradanordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zahnrad (12) und das zweite Zahnrad (14) mindestens für Betriebstemperaturen zwischen 0°C und 100°C ausgelegt sind.
Zahnradanordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die elastische Verformung resultierende Kraft aufgrund der Auslegung des ersten Zahnrades (12), des zweiten Zahnrades (14) und des gewählten Abstandes der Drehachsen kleiner als 500 N ist.
Zahnrad für eine Zahnradanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Federmittel zur Erzielung einer über den Umfang im Wesentlichen gleichmäßig verteilten Elastizität in radialer Richtung mindestens eine Ausnehmung (28) ausgebildet ist.
Zahnrad nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ausnehmungen vorgesehen sind, die durch von einem inneren Ring (38) zu einem äußeren Ring (32) führende Stege (34) voneinander getrennt sind.
Zahnrad nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckungsrichtung der Stege (34) gegenüber der radialen Richtung einen Stegwinkel W von mindestens 10° aufweisen.
Zahnrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmittel für elastische Verformungswege in radialer Richtung von mindestens 50 μm ausgelegt sind.
Zahnrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmittel derart ausgebildet sind, dass diese eine lineare, eine konstante oder eine progressive Federkennlinie bei einer Verformung in radialer Richtung bewirken.
Zahnrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (28) gleichmäßig über den Umfang verteilt sind.
Zahnrad nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (28) sich in Umfangsrichtung erstrecken.
Zahnrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (12) mehrteilig ausgebildet ist.
Zahnrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ausnehmungen (28) sich in radialer Richtung überlappend ausgebildet sind.
Zahnrad nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung (28) mindestens eine Verjüngung aufweist, die so angeordnet ist, dass sich eine zweistufige Elastizität bei elastischer Verformung des Zahnrades (12) in radialer Richtung ergibt.
Verwendung eines Zahnrades (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche in einer Zahnradanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.