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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Metall-Kunststoff-Verbundteil gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Verbundteile,
umfassend ein Metallelement und ein Kunststoffelement, sind aus
dem Stand der Technik bekannt. Wenn das Kunststoffelement an das
Metallelement angespritzt werden soll, tritt bei derartigen Verbundteilen
das Problem auf, dass nach dem Erstarren des Kunststoffelements
ein Schwund am Kunststoffelement auftritt. Dadurch ergeben sich einerseits
Probleme hinsichtlich der äußeren Abmessungen
des Kunststoffelements und andererseits auch Probleme am Verbindungsbereich
zwischen dem Metall- und dem Kunststoffelement. Insbesondere kann
nach dem Erstarren des Kunststoffelements ein Spalt zwischen dem
Kunststoffelement und dem Metallelement auftreten. Dadurch kann
ein Spiel zwischen den beiden Elementen des Verbundteiles auftreten,
was beispielsweise bei einer Verwendung als Zahnrad zu einer unerwünschten
Geräuschentwicklung
führen
kann. Weiterhin kann dabei bei einer Änderung der Drehrichtung ein
Schlag zwischen dem Metall- und dem Kunststoffelement auftreten.
Ein weiteres Problem durch den Schwund des Kunststoffelements kann
auftreten, wenn aufgrund des Schwundes eine Spannung in das Kunststoffelement
eingebracht wird. Diese Spannungen können zu einer vorzeitigen Ermüdung des
Kunststoffelements führen,
so dass derartige Verbundteile nur eine kurze Lebensdauer aufweisen
können.
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Vorteile der
Erfindung
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Ein
erfindungsgemäßes Verbundteil
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass es eine spielfreie und spannungsfreie Metall-Kunststoffverbindung
bereitstellen kann. Hierzu werden erfindungsgemäß die Einflüsse des Schwundes des Kunststoffteiles
ausgenutzt. Dazu weisen das Metallelement und das Kunststoffelement
des Verbundteils jeweils eine Kontaktfläche auf, wobei die Kontaktflächen der
beiden Elemente einander gegenüberliegen
und einen Kontaktbereich zwischen dem Metallelement und dem Kunststoffelement
bilden. Hierbei sind die Kontaktflächen des Metallelements und
des Kunststoffelements in einem Winkel zu wenigstens einer Schwundrichtung
des Kunststoffelements angeordnet. Die Schwundrichtung des Kunststoffelements
kann dabei axial, radial oder tangential bzw. in Umfangsrichtung
sein. Bedingt durch den Schwund des Kunststoffelements ergeben sich
zwar trotzdem Bereiche (Spalte) zwischen dem Metallelement und dem
Kunststoffelement, welche jedoch aufgrund des Kontaktes zwischen
den beiden Elementen an den zu den Schwundrichtungen geneigten Kontaktflächen keine Auswirkungen
haben. Wenn weiterhin extreme Lasten, wie z. B. ein harter Anschlag
auf das Verbundteil eingeleitet werden, kann aufgrund der Elastizität des Kunststoffs
eine kleine Relativbewegung zwischen dem Kunststoffelement und dem
Metallelement aufgrund der Spalte zugelassen werden, so dass das Kunststoffelement
etwas verzögert
am Metallelement zur Anlage kommt und somit eine Dämpfung des
harten Anschlages ausführbar
ist. Somit wird einerseits ein verbessertes Geräuschverhalten und andererseits
auch eine bessere Dauerhaltbarkeit des Verbundteils erreicht.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
ist der Kontaktbereich zwischen dem Metall- und dem Kunststoffelement
durch sich verjüngende
Bereiche an den beiden Elementen gebildet. Dadurch kann, insbesondere
wenn das Verbundbauteil ein drehendes Teil, wie z. B. ein Zahnrad, ist,
eine spiel- und spannungsfreie Metall-Kunststoffverbindung in beiden Drehrichtungen
realisiert werden.
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Um
Spiel in allen Richtungen zwischen dem Metallelement und dem Kunststoffelement
zu vermeiden, weist das Metallelement und das Kunststoffelement
jeweils mindestens eine Kontaktfläche in einem Winkel zur radialen,
axialen und tangentialen Richtung des Verbundteils auf. Mit anderen
Worten sind jeweils mindestens drei Kontaktflächen am Metall- und Kunststoffelement
vorhanden, welche zueinander nicht parallel angeordnet sind.
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Vorzugsweise
ist der Winkel zwischen der Kontaktfläche des Metallelements und
einer Schwundrichtung sowie der Winkel zwischen der Kontaktfläche des
Kunststoffelements und der Schwundrichtung gleich. Dadurch kann
der Kontaktbereich zwischen dem Metallelement und dem Kunststoffelement
nicht nur als Linie, sondern als Fläche ausgebildet werden.
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Das
Verbundteil ist vorzugsweise ein Zahnrad, wobei das Kunststoffelement
im Inneren des Zahnrades angeordnet ist und eine Durchgangsöffnung zur
Aufnahme einer Welle o. ä.
aufweist. Um eine drehfeste Verbindung zwischen der Durchgangsöffnung und
der Welle zu ermöglichen,
ist die Durchgangsöffnung
beispielsweise als Vierkant ausgebildet oder eine Innenverzahnung
ist an der Durchgangsöffnung
vorgesehen und die Welle ist jeweils entsprechend der Form der Durchgangsöffnung ausgebildet.
Um die Welle dabei in die Durchgangsöffnung einführen zu können, ist ein kleines Spiel
zwischen beiden Elementen vorzusehen.
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Um
auch eine spielfreie Verbindung zwischen der Welle und dem Kunststoffelement
zu erhalten, weist die Durchgangsöffnung im Kunststoffelement
vorzugsweise einen sich in Axialrichtung des Verbundteils verjüngenden
Bereich auf.
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Weiter
bevorzugt weist das Kunststoffelement einen Bund auf, welcher einen
größeren Durchmesser
als einen Innendurchmesser des Metallelements aufweist. Dadurch
kann eine Axialsicherung des Kunststoffelements am Metallelement
erhalten werden.
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Vorzugsweise
ist der Kontaktbereich zwischen dem Metallelement und dem Kunststoffelement
durch jeweils zwei einander gegenüberliegende und aufeinander
zulaufende Bereiche gebildet. Die beiden aufeinander zulaufenden
Bereiche weisen dabei besonders bevorzugt den gleichen Winkel relativ
zu einer Schwundrichtung des Kunststoffelements auf, wobei lediglich
die Vorzeichen der Winkel unterschiedlich sind.
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Besonders
bevorzugt ist das Metallelement des Verbundteils mittels Sintern
hergestellt und das Kunststoffelement wird mittels Spritzgießen an das Metallelement
angespritzt.
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Ein
erfindungsgemäßes Verbundteil
wird vorzugsweise in einer elektrischen Maschine, insbesondere am
Abtrieb, als Zahnrad verwendet. Dadurch kann eine große Variantenvielfalt
mittels des erfindungsgemäßen Verbundteils
erhalten werden, da lediglich an ein vorgegebenes standardisiertes Metallelement
ein jeweils unterschiedliches Kunststoffelement angespritzt werden
kann, welches entsprechend einer Abtriebswelle ausgebildet sein kann.
Dies kann beispielsweise einfach durch Wechseleinsätze in dem
Kunststoff-Spritzwerkzeug unter Verwendung des gleichen Einlegeteils
aus Metall realisiert werden. Durch die Verwendung des Kunststoffes
kann weiterhin das Geräuschniveau
am Abtriebsbereich der elektrischen Maschine verbessert werden.
Die elektrische Maschine ist besonders bevorzugt ein Elektromotor,
welcher in einem Fahrzeug verwendet wird. Beispielsweise können derartige Elektromotoren
in Fahrzeugen zur Verstellung von Sitzen und/oder Lehnen und/oder
anderen Einrichtungen im Innenraum des Fahrzeugs verwendet werden,
bei denen besondere Anforderungen hinsichtlich einer Geräuscharmut
des Elektromotors gefordert sind.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines als Zahnrad ausgebildeten Verbundteils
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
detaillierte Schnittansicht des in 1 gezeigten
Zahnrades,
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3 eine
Seitenansicht des Verbundteils von links in 2 und
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4 eine
Teilschnittansicht entlang der Linie C-C in 2.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Wie
insbesondere in 1 gezeigt, umfasst ein erfindungsgemäßes Verbundteil 1 ein
Metallelement 2 und ein Kunststoffelement 3. Das
Kunststoffelement 3 ist dabei im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet
und in einer Durchgangsöffnung
des Metallelements 2 angeordnet. Im Kunststoffelement 3 ist weiter
eine Durchgangsöffnung 4 vorgesehen,
welche in diesem Ausführungsbeispiel
einen Querschnitt in Form eines Vierkants (vgl. 3 und 4)
aufweist. An einem äußeren Umfang
des Metallelements 2 ist eine Verzahnung 5 vorgesehen,
so dass es sich bei dem im Ausführungsbeispiel
dargestellten Verbundteil 1 um ein Zahnrad für einen
Elektromotor handelt. In die Durchgangsöffnung 4 des Kunststoffelements 3 kann
dabei eine Welle 6 eingeführt werden (vgl. 2), über welche
die Leistung des Elektromotors abgegeben werden kann.
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Erfindungsgemäß ist nun
zwischen dem Metallelement 2 und dem Kunststoffelement 3 eine spielfreie
Verbindung ausgebildet, welche insbesondere einen Schwund des Kunststoffelements
nach dem Spritzgießen
an das Metallelement 2 ausgleichen kann. In den 2, 3 und 4 ist
der Schwund zur besseren Darstellung der Erfindung übertrieben
dargestellt. 2 ist dabei ein Schnitt entlang
der Linie A-A von 3. Wie aus 2 ersichtlich
ist, tritt der Schwund zwischen dem Metallelement 2 und
dem Kunststoffelement in Radialrichtung R, in axialer Richtung A
und in tangentialer Richtung bzw.
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Umfangsrichtung
T auf. Wie in 2 gezeigt, ergibt sich hierdurch
entlang des Außenumfangs
des Kunststoffelements 3 ein Schwund SR sowie in axialer
Richtung ein Schwund SA. Wie in 2 gezeigt,
tritt der Schwund SA sowohl an der linken als auch an der rechten
Seite des Kunststoffelements 3 auf. Durch den radialen
Schwund SR existiert somit ein Ringspalt zwischen dem Metallelement 2 und dem
Kunststoffelement 3, aufgrund dessen es im Stand der Technik
zu einer Geräuschentwicklung
im Betrieb kommen kann. Weiterhin kann es im Stand der Technik aufgrund
des axialen Schwundes zu Spannungen im Kunststoffelement kommen,
da sich das Kunststoffelement in Axialrichtung zusammenzieht und
somit eine Spannung zwischen seinen axialen Haltepunkten auftritt.
Der tangentische Schwund ST ist in den 3 und 4 erkennbar.
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Erfindungsgemäß sind daher
Kontaktflächen am
Metallelement 2 und am Kunststoffelement 3 vorgesehen,
welche in einem Winkel zu wenigstens einer Schwundrichtung R, A
und T angeordnet sind. Im linken Teil von 2 ist der
Kontaktbereich K zwischen dem Metallelement 2 und dem Kunststoffelement 3 dargestellt.
Hierbei ist am Metallelement 2 eine Kontaktfläche 8a vorgesehen,
welche in einem Winkel α zur
axialen Schwundrichtung A angeordnet ist. Am Kunststoffelement 3 ist
ebenfalls eine Fläche 3c an
einem axialen Ende angeordnet, welche aufgrund des Schwundes in
einem etwas größeren Winkel
als der Winkel α zur
axialen Schwundrichtung A angeordnet ist (vgl. 2).
Es sei angemerkt, dass nach dem Spritzen zunächst der Winkel des Metallelements
und der Winkel des Kunststoffelements gleich sind, da sich der Kunststoff
zunächst
beim Spritzen direkt an die Metallkontur anlegt. Der größere Winkel
ergibt sich aus dem Schwund des Kunststoffelements. Dadurch ergibt
sich ein Kontaktbereich K zwischen dem Metallelement und dem Kunststoffelement.
Wie aus 3 ersichtlich ist, ergeben sich
vier bogenförmige
Kontaktbereiche K. Es sei angemerkt, dass die Fläche 8a und 3c auch
kegelförmige
Flächen
sein können,
sodass der Kontaktbereich ein Kreis wäre. Durch diese Maßnahme kann
somit verhindert werden, dass bei Auftreten von Schwund am Kunststoffelement 3 ein
Klappern oder ähnliche Geräusche zwischen
dem Kunststoffelement 3 und dem Metallelement 2 auftreten,
da der Schwund dadurch kompensiert wird, dass der Kontaktbereich
K entsprechend dem Schwund in Axialrichtung A weiter innen im Verbundteil
liegt.
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An
dem in 2 gezeigten rechten Ende des Kunststoffelements 3 sind
an dem zylinderringförmigen
Hauptbereich 3a vorstehende Bereiche 3b ausgebildet.
Diese Bereiche 3b dienen als Axialsicherung des Kunststoffelements
am Metallelement. Die vorstehenden Bereiche 3b sind dabei
in im Metallelement 2 gebildeten Ausnehmungen 7 angeordnet.
In 4 ist diese Axialsicherung im Detail an einem vorstehenden
Bereich 3b dargestellt. 4 zeigt eine
Teilschnittansicht entlang der Linie C-C von 2. Insgesamt
sind vier vorstehende Bereiche 3b vorgesehen, welche jeweils
in entsprechend gebildete Ausnehmungen 7 eingefügt sind.
Die Ausnehmungen 7 weisen dabei an ihren Enden in Umfangsrichtung
Kontaktflächen 7a und 7b auf,
welche in einem Winkel β zur
radialen Schwundrichtung R angeordnet sind (vgl. 4).
An den vorstehenden Bereichen 3b sind ebenfalls Kontaktflächen 3f und 3g vorgesehen, welche
aufgrund des Schwundes in einem etwas größeren Winkel als der Winkel β zur radialen
Schwundrichtung R angeordnet sind. Die Flächen 7a und 7b bzw. 3f und 3g laufen
dabei konisch aufeinander zu.
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Wenn
nun nach dem Aushärten
des Kunststoffs ein Schwund in Radialrichtung R und/oder in Tangentialrichtung
T auftritt, wird ein Kontaktbereich K zwischen den Flächen 7a und 3g bzw. 7b und 3f weiter
in Richtung der Mitte des Kunststoffelements 3 gelegt,
so dass kein Spiel zwischen den beiden Elementen 2 und 3 vorhanden
ist. Dadurch hat der am Kunststoffelement 3 auftretende
Schwund keine Auswirkungen auf die Verbindung zwischen dem Metallelement 2 und
dem Kunststoffelement 3. Der Schwund in Tangentialrichtung
kann in 4 anhand der Breite bM der Aussparung im Metallelement und der
Breite bk des Kunststoffelements nach dem Schwund
erkannt werden. In 4 ist der Schwund SR gegenüber der
Länge X3 der Kontaktflächen 3f, 3g bzw. 7a, 7b des
Kunststoff- bzw. Metallelements eingezeichnet. Hierbei muss die
Länge X3 immer größer als der maximale auftretende
Schwund sein, um einen Kontaktbereich zwischen dem Kunststoffelement 3 und
dem Metallelement 2 sicherzustellen.
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3 zeigt
eine linke Seitenansicht des Verbundteils 1 aus 2.
Wie aus 3 ersichtlich ist, sind ebenfalls
vier vorstehende Bereiche mit Kontaktflächen 3c vorgesehen,
um einen eventuell auftretenden Schwund am Kunststoffelement 3 auszugleichen.
Die vorstehenden Bereiche des Kunststoffelements 3 sind
in Ausnehmungen 8 des Metallelements 2 angeordnet.
Hierbei ist zwischen einer Radialrichtung R und den sich verjüngenden
Bereichen 8b und 8c ein Winkel γ vorgesehen.
Der Schwund SR in Radialrichtung ist dabei wieder kleiner als eine
Länge X2 der Flächen 8b und 8c in
Radialrichtung. Der Schwund ST in Tangentialrichtung kann anhand
der maximalen Breite bM des Metallteils
relativ zur Breite bK des ausgehärteten Kunststoffelements 3 erkannt werden.
Somit können
die vier am Kunststoffelement 3 gebildeten Vorsprünge einen
Schwund in Radialrichtung R, Axialrichtung A und Tangentialrichtung T ausgleichen,
die jeweils drei Flächen 8a, 8b, 8c bzw. 3c, 3d, 3e vorgesehen
sind.
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Durch
das erfindungsgemäße Verbundteil kann
somit ein spielfreier Schwundausgleich zwischen dem Metall- und
dem Kunststoffelement realisiert werden. Durch die Wahl der unterschiedlichen Winkel
der Kontaktflächen
des Metallelements bzw. des Kunststoffelements relativ zu einer
Schwundrichtung ergeben sich somit linienförmige Kontaktbereiche K. Hierdurch
können
auch noch die Dämpfungseigenschaften
des Verbundelements insbesondere bei extremen Lasten, wie z. B.
harten Anschlägen
im System, verbessert werden, da eine kleine Relativbewegung zwischen
dem Kunststoffelement und dem Metallelement möglich ist. Der Winkel α, welcher
die Neigung der Kontaktfläche
8a relativ
zur axialen Schwundrichtung A definiert, kann dabei wie folgt bestimmt
werden:
wobei d1 der Durchmesser
des Kunststoffteiles vor dem Schwund ist, d1' der Durchmesser des Kunststoffteils
nach dem Schwund ist und SA der Schwund des Kunststoffteils in axialer
Richtung ist.
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In
entsprechender Weise können
auch die anderen Winkel β und γ bestimmt
werden.
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Da
in diesem Ausführungsbeispiel
die Winkel der Kontaktflächen
des Metallelements unterschiedlich zu denen des Kunststoffelements
sind, ergeben sich immer linienförmige
Kontaktbereiche K.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
sind weiterhin noch konische flächen 4a an
der Durchgangsöffnung 4 gebildet.
Da es sich bei der Welle 6 um eine Vierkantwelle handelt,
sind dementsprechend vier zur Axialrichtung A geneigte Flächen 4a vorgesehen. Am
Ende der Welle 6 sind ebenfalls vier zur Axialrichtung
A geneigte Flächen 6b vorgesehen,
welche am Ende des Hauptbereichs 6a der Welle 6 ausgebildet sind.
Dadurch kann weiterhin eine spielfreie Verbindung zwischen der Welle 6 und
dem Kunststoffelement 3 erhalten werden. Zwischen der Fläche 4a und der
Axialrichtung A ist dabei ein Winkel 6 ausgebildet und
der Winkel zwischen der Fläche 6b der
Welle und der Axialrichtung ist wieder etwas größer ausgebildet, so dass sich
wieder linienförmige
Kontaktbereiche zwischen der Welle 6 und dem Kunststoffelement 3 ergeben.
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Es
sei weiterhin angemerkt, dass es auch möglich ist, den in 2 auf
der linken Seite dargestellten Kontaktbereich auch am anderen Ende
des Verbundteiles anstelle der Ausnehmung 7 und des vorstehenden
Elements 3b vorzusehen. Da das Metallelement 2 vorzugsweise
jedoch im Sinterverfahren hergestellt wird, ist es fertigungstechnisch
vorteilhaft, wenn die konischen Bereiche nur an einem Ende des Verbundteils
angebracht werden und am andere Ende der in 2 an der
rechten Seite gezeigte Bereich zur axialen Sicherung vorgesehen wird.
Dadurch kann das erfindungsgemäße Verbundteil
besonders kostengünstig
ohne Nacharbeiten hergestellt werden.
