DE102016222115A1

DE102016222115A1 - Stirnrad für ein Schneckengetriebe, Verwendung des Stirnrads sowie Spritzgusswerkzeug zur Herstellung des Stirnrads

Info

Publication number: DE102016222115A1
Application number: DE102016222115.9A
Authority: DE
Inventors: Andre Johanning; Jochen Moench; Claudia Noceti
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-10
Filing date: 2016-11-10
Publication date: 2018-05-17
Also published as: CN108071773A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stirnrad (10) für ein Schneckengetriebe, mit am Umfang angeordneten, in Bezug zu einer Drehachse (11) radial nach außen ragenden, schräg angeordneten Zähnen (16), die eine globoidförmige Zahngeometrie mit einem in tangentialer Richtung einer Zahnflanke (18, 19) des Zahns (16) verlaufenden Hinterschnitt (25) zur Ausbildung einer Linienberührung mit einer Gegenverzahnung (105) an einer Schneckenwelle (104) aufweisen, wobei das Stirnrad (10) ein Spritzgussteil ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Stirnrad für ein Schneckengetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Stirnrads sowie ein Spritzgusswerkzeug zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stirnrads.
Ein Stirnrad für ein Schneckengetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2014 205143 A1 der Anmelderin bekannt. Das bekannte Stirnrad dient als Bestandteil eines Komfortantriebs, wie einem Fensterheberantrieb, einem Sitzverstellungsantrieb oder ähnlichem in einem Kraftfahrzeug, und weist eine globoidförmige Zahngeometrie auf. Derartige Zahngeometrien zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Zähne des Stirnrads sowohl an den Zahnflanken, als auch im Bereich des Zahnfußes und des Zahnkopfs jeweils Hinterschnitte aufweisen, die die Entformbarkeit der Stirnräder bei der Herstellung in einem Spritzgusswerkzeug erschweren. Insbesondere ist dabei erwähnenswert, dass die Hinterschnitte in radialer Richtung im Bereich des Fußkopfes bzw. des Fußkreises größer sind als die in tangentialer Richtung verlaufenden Hinterschnitte im Bereich der Zahnflanken. Um nichtsdestotrotz eine relativ einfache Entformbarkeit eines derartigen Stirnrads aus einem Spritzgusswerkzeug zu erzielen, ist es bei der oben genannten Anmeldung vorgesehen, dass das Werkzeug zwei kammartig ineinander verfahrbare Werkzeughälften aufweist, die jeweils zur Ausbildung der Zähne an gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Zahns dienen. Ein derartiges Werkzeug ist relativ aufwendig ausgebildet. Darüber hinaus ist die aus der bekannten Anmeldung bekannte Zahnform bzw. Zahngeometrie ein Kompromiss insbesondere hinsichtlich der Möglichkeit der guten Entformbarkeit und der Tragfähigkeit der Zahngeometrie.
Weiterhin wird erwähnt, dass es bei der Herstellung derartiger Stirnräder in einem Spritzgusswerkzeug gewünscht ist, aus Gründen der Reduzierung der Herstellkosten möglichst viele Kavitäten in dem Spritzgusswerkzeug vorzusehen. Dies ist sowohl bei dem bekannten Werkzeug, als auch bei anderen Werkzeugen, die zur Herstellung von Stirnrädern mit globoidförmigen Verzahnungsgeometrien aufweisen, aufgrund der schwierigen Entformbarkeit infolge der Hinterschnitte problematisch.
Offenbarung der Erfindung
Das Stirnrad für ein Schneckengetriebe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es bei einer hinsichtlich der Tragfähigkeit, d.h. der Fähigkeit der Linienberührung einer Zahnflanke des Zahns mit einer mit der Zahnflanke zusammenwirkenden Gegenverzahnung einer Schneckenwelle vorteilhaften Gestaltung herstellungstechnisch besonders günstig ausgebildet ist.
Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, dass durch ein Verzicht auf einen in radialer Richtung ausgebildeten Hinterschnitt im Bereich des Zahnfußes und des Zahnkopfs des Stirnrads die axiale Entformbarkeit mit konventionellen Spritzgusswerkzeugen durch Überdrücken des Hinterschnittes in radialer Richtung ermöglicht wird. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die Erfindung auf die hinsichtlich der Tragfähigkeit bzw. des Linienkontakts des Zahns üblicherweise nicht teilnehmenden Bereiche des Stirnrads im Bereich des Zahnfußes und des Zahnkopfes zumindest weitestgehend verzichtet, und die für die Tragfähigkeit wesentliche geometrische bzw. globoidförmige Ausbildung im Bereich der Zahnflanke aufweist bzw. übernimmt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch derartige Zahngeometrien umfassen soll, bei denen der Zahnfuß und der Zahnkopf einen in radialer Richtung ausgebildeten Hinterschnitt aufweisen kann, dieser Hinterschnitt jedoch so klein ist, dass er die Entformung des Stirnrads in axialer Richtung nicht beeinflusst bzw. hindert. Insbesondere weist der in radialer Richtung ggf. ausgebildete Hinterschnitt eine Größe auf, die deutlich geringer ist als die Größe eines Hinterschnitts, der bei konventioneller Herstellung eines (Spritzguss-) Werkzeugs durch ein entsprechendes Gegenelement bzw. einen Fräser entstehen würde.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Stirnrads für ein Schneckengetriebe sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Zahngeometrie des Zahnfußes und des Zahnkopfs als zylindrische Geometrie mit konstantem Abstand zur Drehachse ausgebildet ist. Gemeint ist hierbei, dass auf einen in radialer Richtung ausgebildeten Hinterschnitt vollständig verzichtet wird. Dadurch treten beim Entformen des Stirnrads aus einem Spritzgusswerkzeug auch keine zusätzlichen zu überwindenden Kräfte in axialer Richtung aus dem Bereich des Zahnfußes bzw. Zahnkopfs auf. Vielmehr werden die aufzubringenden Kräfte beim Trennen der Werkzeughälften bzw. Werkzeugelemente des Spritzgusswerkzeugs allein durch das Überdrücken im Bereich der in tangentialer Richtung ausgebildeten Hinterschnitte an den Zähnen beeinflusst.
Um insbesondere bei reversierbaren Antrieben, wie sie im Bereich von Komfortantrieben, wie Fensterheberantrieben, Sitzverstellungsantrieben, Schiebedachantrieben oder ähnlichem auftreten, in beide Richtungen des Stirnrads identische Eigenschaften zu erzielen, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn der in tangentialer Richtung verlaufende Hinterschnitt an beiden Zahnflanken eines Zahns ausgebildet ist, wobei die Hinterschnitte an beiden Zahnflanken vorzugsweise gleich groß sind.
Es kann sich jedoch auch eine Ausführungsform als vorteilhaft erweisen, bei der der in tangentialer Richtung verlaufende Hinterschnitt nur an einer der beiden Zahnflanken eines Zahns ausgebildet ist. Eine derartige Ausführungsform kommt insbesondere bei Stirnrädern bzw. Antrieben in Frage, bei denen das Stirnrad zumindest vorzugsweise lediglich in einer einzigen Richtung gedreht wird, oder aber, wenn die Belastungen auf das Stirnrad hauptsächlich in einer Drehrichtung des Stirnrads auftreten. Eine derartige Ausführungsform hat darüber hinaus den besonderen Vorteil, dass das Entformen des Stirnrads vereinfacht wird, da die erforderlichen Kräfte hierfür reduziert werden. Dies rührt daher, dass das Werkzeug von der Seite, an der kein Hinterschnitt an einer Zahnflanke ausgebildet ist, lediglich ein Gegenlager zur Abstützung der Zahnflanke ausbildet, wohingegen bei einer Ausführungsform, bei der beide Zahnflanken eines Zahns Hinterschnitte aufweisen, von beiden Seiten des Zahns Verformungskräfte auf den Zahn einwirken. Eine derartige Ausführungsform ermöglicht es somit alternativ grundsätzlich, die Größe des Hinterschnitts gegenüber der erstgenannten Ausführungsform bei Hinterschnitten an beiden Zahnflankenseiten zu vergrößern, oder aber, ein Material einzusetzen, das hinsichtlich der Fähigkeit zur elastischen Verformung beim Überdrücken bzw. Entformen des Stirnrads aus einem Spritzgusswerkzeug kritischer ist.
Um über die Breite einer Zahnflanke keinen Grat entstehen zu lassen, der beim Entformen des Stirnrads aus dem Spritzgusswerkzeug entsteht, und der dann mit einer Gegenverzahnung einer Schneckenwelle zusammenwirken würde, ist es darüber hinaus von besonderem Vorteil, wenn eine Trennebene zum Entformen des Stirnrads aus einem Spritzgusswerkzeug mit einer Stirnseite des Stirnrads zusammenfällt.
Im Rahmen von Versuchen hat es sich herausgestellt, dass bei den zur Diskussion stehenden Stirnrädern im Bereich von Komfortantrieben für Kraftfahrzeugen von Vorteil ist, wenn der Hinterschnitt in tangentialer Richtung eine Größe von 100µm und 500µm, vorzugsweise 270µm aufweist, um einerseits die gewünschte Entformbarkeit aus dem Spritzgusswerkzeug zu ermöglichen, und andererseits die gewünschten funktionellen Eigenschaften hinsichtlich der Tragfähigkeit zu erfüllen.
Als geeignete Werkstoffe zur Ausbildung des Stirnrads haben sich darüber hinaus POM (Polyoxymethylen) oder PA (Polyamid) 66 bewährt.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Stirnrads bei einem reversierbaren Antrieb, insbesondere einem Komfortantrieb in einem Kraftfahrzeug.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein Spritzgusswerkzeug zur Herstellung eines soweit beschriebenen Stirnrads.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:

1 eine Getriebe-Antriebseinrichtung als Bestandteil eines Komfortantriebs mit einem erfindungsgemäßen Stirnrad in einer perspektivischen Darstellung,
2 ein erfindungsgemäßes Stirnrad in einer perspektivischen Einzeldarstellung,
3 ein Detail der Verzahnung des Stirnrads gemäß 2 in vergrößerter Darstellung und
4 den Verzahnungsbereich der 3 in einer gegenüber der 3 anderen perspektivischen Darstellung.

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist eine Getriebe-Antriebseinrichtung 100 dargestellt, wie sie als Bestandteil eines Komfortantriebs in einem Kraftfahrzeug dient. Unter einem Komfortantrieb wird insbesondere, und nicht einschränkend, ein Schiebedachantrieb, ein Sitzverstellungsantrieb, ein Fensterheberantrieb oder ähnliches verstanden.
Die Getriebe-Antriebseinrichtung 100 umfasst ein bereichsweise topfförmig ausgebildetes Getriebegehäuse 101, das insbesondere als Aluminiumdruckgussteil oder als Kunststoffspritzgussteil ausgebildet ist. Von einem Bodenbereich des Getriebegehäuses 101 ragt ein Achsstummel 102 ab, der zur drehbaren Lagerung eines erfindungsgemäßen Stirnrads 10 dient, wobei das Stirnrad 10 in einer Drehachse 11 in Richtung des Doppelpfeils 12 in beide Drehrichtungen beweglich angeordnet ist. An dem Getriebegehäuse 101 ist ein als Elektromotor ausgebildeter Antriebsmotor 103 befestigt bzw. angeflanscht, dessen Antriebswelle in Form einer Schneckenwelle 104 ausgebildet ist, die bereichsweise in den Bereich des Getriebegehäuses 101 hineinragt. An der Schneckenwelle 104 ist eine Gegenverzahnung 105 ausgebildet, die mit einer am Umfang des Stirnrads 10 ausgebildeten (Schräg-)Verzahnung 15 mit in den 2 bis 4 im Detail erkennbaren, schräg angeordneten Zähnen 16 kämmt. Die Schneckenwelle 104 bildet zusammen mit dem Stirnrad 10 ein Schneckengetriebe aus, wobei das Stirnrad 10 zum zumindest mittelbaren Bewegen eines Elements, wie eines Schiebedachs oder einer Fensterscheibe, dient.
Das in den 2 bis 4 in Einzeldarstellung gezeigte Stirnrad 10 besteht aus Kunststoff, insbesondere aus POM oder PA 66 und ist als Spritzgussteil ausgebildet. Jeder Zahn 16 des Stirnrads 10 weist auf in Axialrichtung gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Zahnflanke 18, 19 auf. Darüber hinaus weist die Verzahnung 15 bzw. der Zahn 16 einen Zahnkopf 21 und einen Zahnfuß 22 auf. Der Zahnfuß 22 ist derjenige Bereich, der im Übergangsbereich zwischen zwei Zähnen 16 angeordnet ist.
Wie insbesondere anhand der Darstellung der 4 erkennbar ist, weisen die beiden Zahnflanken 18, 19 eines Zahns 16 jeweils einen in tangentialer Richtung ausgeformten Hinterschnitt 25 auf, der ein Maximum a von beispielsweise 300µm gegenüber einer in Axialrichtung geradlinig ausgebildeten Zahnflanke aufweist. Der Hinterschnitt 25 verringert sich in Richtung der beiden Stirnseiten 27, 28 des Stirnrads 10 bis auf null. Ein Hinterschnitt in tangentialer Richtung bedeutet, dass die beiden Zahnflanken 18, 19 eines konkreten Zahns 16 im axial mittleren Bereich des Stirnrads einen geringeren Abstand zueinander in tangentialer Richtung aufweisen, als an den beiden Stirnseiten 27, 28 des Stirnzahnrads 10. Damit bildet die Globoid-Verzahnung 15 mit der Schneckenwelle 104 einen Formschluss bezüglich der Axialrichtung des Stirnrads 10. Insbesondere ist die Geometrie bzw. der Hinterschnitt 25 derart ausgebildet, dass der Zahn 16 eine globoidförmige Verzahnungsgeometrie im Bereich der Zahnflanken 18, 19 ausbildet, die mit der Gegenverzahnung 105 der Schneckenwelle 104 beim Betrieb der Getriebe-Antriebseinheit 100 eine linienförmige Anlage zwischen der entsprechenden Zahnflanke 18, 19 des Zahns 16 und der Gegenverzahnung 105 ermöglicht.
Weiterhin weist der Zahn 16 einen Zahnkopfdurchmesser D_Kopf sowie einen Zahnfußdurchmesser D_Fuß auf. Wesentlich ist, dass der Bereich des Zahnkopfs 21 bzw. des Zahnfußes 22 zumindest im Wesentlichen keinen in radialer Richtung verlaufenden Hinterschnitt aufweist, sondern zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, eben ausgebildet ist bzw. hinterschnittsfrei. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die beiden Durchmesser D_Kopf und D_Fuß zwischen den beiden Stirnseiten 27, 28 des Stirnrads 10 über deren gesamter axialer Erstreckung jeweils konstant sind. Weiterhin ist es vorgesehen, dass eine der beiden Stirnseiten 27, 28, im dargestellten Ausführungsbeispiel die Stirnseite 27, eine Trennebene 30 ausbildet, die beim Entformen des Zahnrads 10 aus einem nicht dargestellten Werkzeug bzw. Spritzgusswerkzeug ausgebildet wird.
Das soweit beschriebene Zahnrad 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es insbesondere denkbar, lediglich eine der beiden Zahnflanken 18, 19 mit einem Hinterschnitt 25 auszubilden, und die andere Zahnflanke 18, 19 eben bzw. ohne einen Hinterschnitt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Stirnrad 10 zumindest vorzugsweise lediglich in einer Drehrichtung gedreht wird, oder aber, wenn einseitig auftretende Belastungen auftreten, wobei dann an der Zahnflanke 18, 19, an der die angesprochene Belastung stattfindet, der Hinterschnitt 25 ausgebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014205143 A1 [0002]

Claims

Stirnrad (10) für ein Schneckengetriebe, mit am Umfang angeordneten, in Bezug zu einer Drehachse (11) radial nach außen ragenden, schräg angeordneten Zähnen (16), die eine globoidförmige Zahngeometrie mit einem in tangentialer Richtung einer Zahnflanke (18, 19) des Zahns (16) verlaufenden Hinterschnitt (25) zur Ausbildung einer Linienberührung mit einer Gegenverzahnung (105) an einer Schneckenwelle (104) aufweisen, wobei das Stirnrad (10) ein Spritzgussteil ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahngeometrie im Bereich des Zahnfußes (22) sowie des Zahnkopfs (21) des Zahns (16) in radialer Richtung zumindest im Wesentlichen hinterschnittsfrei ausgebildet ist.
Stirnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahngeometrie des Zahnfußes (22) und des Zahnkopfs (21) als zylindrische Geometrie mit konstantem Abstand (D_Fuß, D_Kopf) zur Drehachse (11) ausgebildet ist.
Stirnrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in tangentialer Richtung verlaufende Hinterschnitt (25) an beiden Zahnflanken (18, 19) eines Zahns (16) ausgebildet ist, und dass der Hinterschnitt (25) vorzugsweise gleich groß ist.
Stirnrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in tangentialer Richtung verlaufende Hinterschnitt (25) nur an einer der beiden Zahnflanken (18, 19) eines Zahns (16) ausgebildet ist.
Stirnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennebene (30) zum Entformen des Stirnrads (10) aus einem Spritzgußwerkzeug durch eine Stirnseite (27) des Stirnrads (30) gebildet ist.
Stirnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des in tangentialer Richtung verlaufenden Hinterschnitts (25) zwischen 100µm und 500µm, vorzugsweise 270µm beträgt.
Stirnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es aus POM oder PA 66 ausgebildet ist.
Verwendung eines Stirnrads (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Bestandteil eines reversierbaren Antriebs, insbesondere einem Komfortantrieb, in einem Fahrzeug.
Spritzgusswerkzeug zur Herstellung eines Stirnrads (10), das nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.