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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnrad für ein Elektrofahrzeuggetriebe sowie ein Elektrofahrzeuggetriebe mit einem solchen Zahnrad.
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Stirnradgetriebe haben Vorteile in der relativ einfachen Bauweise, da wenig bewegte Teile zum Einsatz kommen und die außenverzahnten Stirnräder vergleichsweise einfach herzustellen sind. Ein Nachteil liegt in der kleinen Übersetzung, die in einer Stufe realisierbar ist. Zudem ist ein Stirnradgetriebe größer und damit auch schwerer als beispielsweise ein Planetengetriebe bei gleicher Übertragungsleistung. Um große Übersetzungen mit einem Stirnradpaar darzustellen, wird der Umfang wenigstens eines Zahnrads klein gehalten, wohingegen der Umfang des zweiten Zahnrads groß gehalten wird. Der Überdeckungsgrad, also die Anzahl der in Eingriff befindlichen Zähne, wird umso kleiner, je kleiner mindestens eines der in Eingriff befindlichen Zahnräder ist. Es muss daher dafür Sorge getragen werden, dass die einzelnen Zähne stets in Eingriff gelangen.
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Zahnräder, die zur Übertragung von Drehbewegungen und Drehmomenten (Leistungsübertragung) von einer Antriebswelle auf eine Abtriebswelle dienen, müssen formstabil gegenüber radialen Kräften sein, die insbesondere bei der Leistungsübertragung auf ein Zahnrad wirken. Es ist daher bekannt, größere Übersetzungen mit wenigstens zwei Zahnradpaaren darzustellen. Derartige Getriebe weisen jedoch relativ hohe Getriebeverluste auf. Ferner sind derartige Getriebe für gewichtsrelevante Anwendungen, wie zum Beispiel den Rennsport, weniger geeignet, da die Darstellung mittels wenigstens zweier Zahnradpaare gewichtsintensiv ist.
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Generell ist es wünschenswert, Getriebezahnräder leicht auszuführen, um das Gesamtgewicht des Getriebes gering zu halten. Eine Gewichtsreduzierung geht meistens mit einer Einbuße an Formstabilität einher. Besonders bei hochbelasteten Leichtbau-Getrieben ist es bekannt, dass sich alle an der Kraftübertragung beteiligten Teile elastisch verformen, wodurch Zahneingriffsstörungen hervorgerufen werden können. Insbesondere beim Einsatz von elektrischen Antriebsmaschinen, die sehr hohe Drehzahlen erreichen können, beispielsweise im Bereich von 20.000 Umdrehungen pro Minute, sind die Getriebe enormen Belastungen ausgesetzt.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein formstabiles und gewichtsoptimiertes Zahnrad für ein Elektrofahrzeuggetriebe sowie ein Elektrofahrzeuggetriebe mit einem solchen Zahnrad bereitzustellen. Insbesondere sollen ein Zahnrad und ein Elektrofahrzeuggetriebe geschaffen werden, die sich aufgrund ihrer Eigenschaften hinsichtlich geringem Gewicht und hoher Stabilität auch bei sehr hohen Drehzahlen für den Einsatz im Elektro-Motorsport eignen.
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Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die Erfindung in einem ersten Aspekt ein Zahnrad für ein Elektrofahrzeuggetriebe mit einem Zahnradfuß, einer Außenverzahnung an einer Zahnradaußenseite und einem radial zwischen Zahnradfuß und Außenverzahnung verlaufenden Steg, wobei
- der Steg eine erste, zweite, dritte und vierte Gruppe von sich in Umfangsrichtung wiederholenden Aussparungen umfasst;
- jede Gruppe von Aussparungen jeweils dieselbe Grundform einer Aussparung aufweist;
- jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Aussparungen einer Gruppe durch eine Spiegelung an einer radial ausgerichteten und in axialer Richtung verlaufenden Ebene aufeinander abbildbar sind; und
- die Aussparungen derart angeordnet sind, dass eine an der Zahnradaußenseite auf das Zahnrad einwirkende Kraft unabhängig von einer Winkellage des Zahnrads an einer Aussparung auf zwei Teilkräfte aufgeteilt wird, die auf Stegabschnitte auf unterschiedliche Seiten der Aussparung wirken.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeuggetriebe, mit:
- einem oben beschriebenen Zahnrad; und
- einem Ritzel zum Ausüben einer Kraft auf das Zahnrad an der Zahnradaußenseite des Zahnrads.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann das Elektrofahrzeuggetriebe entsprechend der für das Zahnrad in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
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Die Gruppen von Aussparungen bewirken eine Gewichtsersparnis. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird dennoch eine Formstabilität des Zahnrads gewährleistet, sodass Zahneingriffsprobleme trotz Gewichtsoptimierung und auch bei der Verwendung von sehr kleinen Zähnen reduziert und/oder ausgeschlossen werden können. Durch die Abbildbarkeit jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarter Aussparungen einer Gruppe aufeinander durch eine Spiegelung an einer radial ausgerichteten und in axialer Richtung verlaufenden Ebene ist ein symmetrischer Aufbau des Zahnrades gewährleistet. Das Zahnrad weist in beide Drehrichtungen eine gleich hohe Belastbarkeit auf, was insbesondere für Elektrofahrzeuge vorteilhaft ist. Elektrofahrzeuge können neben dem Fahr- bzw. Antriebsbetrieb auch einen Schubbetrieb aufweisen, in dem rekuperativ Energie zurückgewonnen wird. Daher wird ein Zahnrad eines Elektrofahrzeuggetriebes in beide Drehrichtungen im Wesentlichen gleich stark beansprucht. Durch die Anordnung der Aussparungen derart, dass eine an der Zahnradaußenseite auf das Zahnrad einwirkende Kraft unabhängig von einer Winkellage des Zahnrads an einer Aussparung auf zwei Teilkräfte aufgeteilt wird, die auf Stegabschnitte auf unterschiedliche Seiten der Aussparung wirken, ist eine Formstabilität des Zahnrads unabhängig von der Winkellage gegeben, was sich vorteilhaft auf die Haltbarkeit des Zahnrads und insbesondere der Verzahnung auswirken kann. Es kann also Gewicht eingespart werden, ohne dabei die Formstabilität des Zahnrads zu beeinträchtigen. Durch die Aufteilung in zwei Teilkräfte ergibt sich eine Parallelschaltung der Kraft im Steg. Mehrere Teile des Stegs stützen gleichzeitig. Die Spannungen im Steg werden über mehrere Teile verteilt. Insbesondere kann auch ein Teil der Kraft so umgeleitet werden, dass die Verformung wieder kompensiert wird. Die Wandstärke kann bei gleicher Verformung reduziert werden. Es ergibt sich eine Gewichtsersparnis.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Aussparungen derart angeordnet, dass eine an der Zahnradaußenseite auf das Zahnrad einwirkende Kraft an einer Aussparung teilweise zur Zahnradaußenseite hin abgelenkt wird. Hierdurch kann die Formstabilität des Zahnrads weiter verbessert werden. Ferner kann einer Verformung des Zahnrads, beispielsweise in Form einer Stauchung in radialer Richtung, wenigstens teilweise entgegengewirkt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Aussparungen derart angeordnet, dass in radialer Richtung zwischen Fuß und Zahnradaußenseite wenigstens eine Aussparung angeordnet ist. Hierdurch kann das Gewicht des Zahnrads weiter verringert werden. Ferner kann eine Homogenität der Formstabilität verbessert werden, was sich vorteilhaft auf die Haltbarkeit des Zahnrads auswirkt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Anzahl der Aussparungen der ersten Gruppe doppelt so groß wie die Zähligkeit der Drehsymmetrie der Gruppe. Zwei Aussparungen der ersten Gruppe können durch eine Spiegelung aufeinander abgebildet werden, weisen aber innerhalb der Aussparung selbst keine Spiegelsymmetrie entlang einer radial ausgerichteten und in axialer Richtung verlaufenden Ebene auf. Hierdurch kann das Zahnrad unabhängig von seiner momentanen Winkelposition gleich belastbar und widerstandsfähig gegenüber einer von der Zahnradaußenseite einwirkenden Kraft sein. Zudem kann eine Aufteilung einer auf das Zahnrad an der Zahnradaußenseite einwirkenden Kraft auf wenigstens zwei Teilkräfte weiter verbessert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung entspricht die jeweilige Anzahl der Aussparungen der zweiten, dritten und vierten Gruppe der Zähligkeit der Drehsymmetrie der entsprechenden Gruppe. Hierdurch ist das Zahnrad unabhängig von seiner momentanen Winkelposition gleich belastbar und widerstandsfähig gegenüber einer von der Zahnradaußenseite einwirkenden Kraft. Ferner kann das Zahnrad einfach und kosteneffizient hergestellt werden, da beispielsweise beim Bearbeiten durch ein Werkzeug nach jeder Aussparung bzw. nach zwei Aussparungen der ersten Gruppe um denselben Winkel weitergedreht werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Grundform der ersten Gruppe ein Dreieck mit abgerundeten Ecken, wobei das Dreieck derart orientiert ist, dass ein Schenkel des Dreiecks im Wesentlichen parallel zur Zahnradaußenseite verläuft. Zudem oder alternativ ist die Grundform der zweiten Gruppe eine Raute mit abgerundeten Ecken, wobei die Raute derart orientiert ist, dass eine Spitze der Raute in radialer Richtung zur Zahnradaußenseite zeigt. Zusätzlich oder alternativ ist die Grundform der dritten Gruppe ein Drachenviereck mit abgerundeten Ecken, wobei das Drachenviereck derart orientiert ist, dass eine Spitze mit dem kleinsten Innenwinkel in radialer Richtung zur Zahnradaußenseite zeigt. Zusätzlich oder alternativ ist die Grundform der vierten Gruppe ein gleichseitiges Dreieck mit abgerundeten Ecken, wobei das Dreieck derart orientiert ist, dass eine Spitze des Dreiecks in radialer Richtung zur Zahnradaußenseite zeigt. Die erste Gruppe von Aussparungen bildet dabei vorzugsweise die Gruppe mit dem größten radialen Abstand zur Zahnradmitte. Die vierte Gruppe von Aussparungen bildet dabei vorzugsweise die Gruppe mit dem geringsten Abstand zur Zahnradmitte. Durch die derart gewählten Grundformen der Gruppen von Aussparungen und der Orientierung der Aussparungen können die Aussparungen vorteilhaft angeordnet werden, sodass der Zahnradsteg weniger Material aufweist. Das Gewicht des Zahnrads kann weiter reduziert werden. Beispielsweise kann eine Überschneidung der Flächen der einzelnen Gruppen in radialer Richtung vorgesehen sein und so das Gewicht des Zahnrads weiter reduziert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Aussparungen in axialer Richtung durchgängig. Zusätzlich oder alternativ ist das Zahnrad als Stirnrad ausgebildet. Weiterhin zusätzlich oder alternativ ist das Zahnrad aus Metall, vorzugsweise einsatzgehärtetem Stahl, ausgebildet. Durch in axialer Richtung durchgängige Aussparungen kann das Gewicht des Zahnrads weiter verringert werden. Durch Ausbilden des Zahnrads als Stirnrad kann das Zahnrad kosteneffizient und technisch relativ einfach hergestellt werden. Zudem kann die Widerstandsfähigkeit des Zahnrads durch Ausbilden des Zahnrads aus Metall, vorzugsweise einsatzgehärtetem Stahl, erhöht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Zahnrad eine sechsfache Drehsymmetrie auf. Es versteht sich, dass die Drehsymmetrie vorzugsweise mit der Anzahl der Bohrungen zur Verschraubung mit einer Zahnradnabe korreliert. Es ist auch denkbar, weitere Verschraubungspunkte vorzusehen, die vorzugsweise in gleichem Abstand in Umfangsrichtung verteilt sind. Hierbei kann das durch die Aussparungen gebildete Muster feinmaschiger ausfallen. Durch die sechsfache Drehsymmetrie kann das Zahnrad technisch einfacher hergestellt werden. Beispielsweise kann beim Bearbeiten zunächst ein Sechstel eines Rohlings für das Zahnrad bearbeitet werden, beispielsweise durch ein einziges Werkzeug, und das Zahnrad danach weitergedreht werden. Es muss für die Fertigung also sozusagen nur ein Sechstel der Zahnradgeometrie bekannt sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Zahnrad einen Modul im Bereich von 1,0 mm bis 1,8 mm, bevorzugt im Bereich von 1,0 mm bis 1,53 mm, und besonders bevorzugt von 1,51 mm auf. Zusätzlich oder alternativ weist das Zahnrad einen Zahnraddurchmesser im Bereich von 26 cm bis 34 cm, insbesondere im Bereich von 28 cm bis 32 cm, und besonders bevorzugt von 31,48 cm auf. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Steg eine axiale Ausdehnung im Bereich von 3 mm bis 30 mm, bevorzugt im Bereich von 4 mm bis 10 mm, und besonders bevorzugt von 7 mm, aufweisen. Durch die Wahl eines Moduls im oben genannten Bereich kann das Zahnrad weiter im Gewicht optimiert sein. Ferner können durch derartig kleine Module die Leistungsverluste an den Zähnen vermindert sein. Das Zahnrad und insbesondere ein Getriebe mit einem solchen Zahnrad kann effizienter sein. Durch die Wahl eines Zahnraddurchmessers im oben genannten Bereich lassen sich mit dem Zahnrad besonders hohe Übersetzungen darstellen. Ferner kann insbesondere bei relativ großen Zahnrädern mehr Gewicht durch Aussparungen eingespart werden als bei kleineren Zahnrädern. Durch die Wahl einer axialen Ausdehnung des Stegs im oben genannten Bereich kann ein Kompromiss zwischen Widerstandsfähigkeit gegenüber einer von der Zahnradaußenseite einwirkenden Kraft und Gewichtsoptimierung gefunden werden. Die Wahl eines Zahnraddurchmessers von 31,48 cm erlaubt eine vorteilhafte Dimensionierung und Anordnung der Gruppen von Aussparungen.
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Unter einer Aufspaltung einer Kraft ist zu verstehen, dass eine Kraft auf wenigstens zwei Teilkräfte aufgespaltet wird. Eine Teilkraft weist vorzugsweise wenigstens 20% der ursprünglichen Kraft auf. Bei einer Aufspaltung wird ein Vektor einer Kraft in wenigstens zwei Vektoren aufgeteilt, die über verschiedene Abschnitte des Stegs verlaufen. Eine Aufspaltung einer Kraft bedeutet, dass eine Kraft im Wesentlichen nicht entlang einer einzigen Kurve verläuft, sondern entlang wenigstens zweier Kurven.
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Eine Gruppe von Aussparungen wird durch eine sich wiederholende Grundform gebildet, wobei zwei Grundformen einer Gruppe aufeinander abbildbar sind. Der Modul m ist das Verhältnis zwischen dem Teilkreisdurchmesser des Zahnrads und der Zähnezahl des Zahnrads. Der Teilkreisdurchmesser ist der Durchmesser eines unsichtbaren Zylinders, der durch die Mitte der Zähne verläuft und somit den Teilkreis definiert. Der Teilkreis ist als Kreis definiert, dessen Mittelpunkt auf der Zahnradachse liegt, die durch den Wälzpunkt der Zahnradzähne verläuft. Dieser Wälzpunkt befindet sich zwischen dem Fuß des Zahnradzahns (Fußkreisdurchmesser) und dem Kopf des Zahnradzahns (Kopfkreisdurchmesser). Der Modul ist also ein Maß für den Abstand zweier benachbarter Zahnradzähne. Der Zahnraddurchmesser ist vorliegend als Kopfkreisdurchmesser zu verstehen. Die Zähligkeit einer Drehsymmetrie beschreibt die Anzahl n der Teildrehungen um den Mittelpunkt einer Figur, die ausgeführt werden können, sodass die gedrehte Figur deckungsgleich zur Ausgangsfigur ist, wobei die Teildrehungen einen Drehwinkel α (alpha) kleiner als 360° aufweisen. Man spricht von n-zähliger Drehsymmetrie, wenn das Produkt aus Anzahl der Teildrehungen n und dem Drehwinkel α (alpha) gleich 360° ergibt. Ein Drachenviereck oder auch Drachen oder Deltoid ist ein ebenes Viereck, bei dem eine Diagonale die Symmetrieachse ist. Ein Drachenviereck weist also zwei Paare gleich langer benachbarter Seiten auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs mit einem Elektrofahrzeuggetriebe mit einem Zahnrad gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Zahnradanordnung mit einem erfindungsgemäßen Zahnrad und einem Ritzel;
- 3 eine schematische Draufsicht auf ein Zahnrad gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 4 einen schematischen Zahnradausschnitt mit angedeuteter Krafteinwirkung auf das Zahnrad;
- 5 einen schematischen Schnitt durch ein Zahnrad; und
- 6 eine schematische axiale Ansicht zweier Zähne einer Verzahnung eines erfindungsgemäßen Zahnrads.
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In 1 ist schematisch ein Elektrofahrzeug 10 mit Antriebsrädern 12, einer mit den Antriebsrädern 12 in Wirkverbindung stehenden Antriebsachse 14 und einem Antriebsstrang 15 gezeigt. Die Figur entspricht dabei einer Draufsicht. Die relevanten Komponenten sind vergrößert und nicht maßstabsgetreu dargestellt.
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Der Antriebsstrang 15 weist ein Elektrofahrzeuggetriebe 17 mit einem Zahnradpaar mit einem Zahnrad 16 gemäß der vorliegenden Anmeldung, eine elektrische Maschine 18 und ein Differential 20 auf. Die elektrische Maschine 18 steht in Wirkverbindung mit einem Ritzel 22, das in Eingriff mit dem Zahnrad 16 steht. Das Zahnrad 16 ist am Zahnradfuß 24 drehfest mit dem Differential 20 verbunden. Durch das Differential 20 kann eine Antriebskraft an die Antriebsräder 12 weitergeleitet werden. Das Ritzel 22, das Zahnrad 16 und das Differential 20 können dabei in einem Getriebegehäuse 26 aufgenommen sein.
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Während eines Beschleunigungsvorgangs in einem Antriebsbetrieb wird im Antriebsstrang Antriebsleistung von der elektrischen Maschine 18 zu den Antriebsrädern 12 geleitet, um das Elektrofahrzeug 10 zu beschleunigen. Es wird also ein Leistungsübertragungspfad von der elektrischen Maschine 18 über das Ritzel 22, das Zahnrad 16 und das Differential 20 zu den Antriebsrädern 12 bereitgestellt. Der Leistungspfad kann den Antriebsrädern 12 Antriebsleistung von der elektrischen Maschine 18 bereitstellen.
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In einem Schubbetrieb, also wenn das Elektrofahrzeug 10 abgebremst werden soll, kann zumindest ein Teil der kinetischen Energie des Elektrofahrzeugs 10 über den Leistungsübertragungspfad im Antriebsstrang 15 der elektrischen Maschine 18 zur Verfügung gestellt werden. Die elektrische Maschine 18 wird über den Leistungsübertragungspfad zur Rekuperation angetrieben. Die elektrische Maschine 18 wird als Dynamo verwendet und wandelt die kinetische Energie des Elektrofahrzeugs in elektrische Energie um. Die umgewandelte Energie kann in hier nicht gezeigten Batterien, Kondensatoren oder anderen Mitteln zur Speicherung von Energie vorgehalten werden und bei Bedarf, also wenn das Elektrofahrzeug 10 beschleunigt werden soll, wieder der elektrischen Maschine 18 zugeführt werden.
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In einem Segelbetrieb, also wenn das Elektrofahrzeug 10 weder beschleunigt noch abgebremst werden soll, wird im Wesentlichen keine Leistung durch den Leistungspfad übertragen.
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2 zeigt eine Zahnradanordnung in dem Elektrofahrzeuggetriebe 17 mit dem Ritzel 22 und dem Zahnrad 16. Das Zahnrad 16 weist eine Zahnradaußenseite 28, einen Steg 30, einen Zahnradfuß 24 und eine Außenverzahnung 32 an der Außenseite 28 des Zahnrads 16 auf. Das Ritzel 22 ist zwischen der elektrischen Maschine 18 und dem Zahnrad 16 angeordnet. Das Ritzel 22 kann auch als Antriebszahnrad bezeichnet werden.
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Eine derartige Zahnradanordnung kann beispielsweise in einem Elektrofahrzeuggetriebe vorgesehen sein, bei dem mit nur einem Zahnradpaar hohe Übersetzungen von bis zu zehn dargestellt werden. Derartige Übersetzungen sind vorteilhaft, da moderne elektrische Maschinen mit bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden können. Durch die symmetrische Geometrie des Zahnrads 16 kann sowohl ein Antriebsbetrieb vorgesehen sein, bei dem das Ritzel 22 durch die elektrische Maschine 18 angetrieben wird, als auch ein Schubbetrieb, bei dem das Ritzel 22 durch das Zahnrad 16 angetrieben wird, vorzugsweise um rekuperativ Energie zu gewinnen.
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Das Zahnrad 16 beziehungsweise die Außenverzahnung 32 des Zahnrads 16 weist in der gezeigten Ausführungsform einen Modul von 1,51 mm auf. Die Zähne 34 sind dabei um einen Faktor +0,3 profilverschoben. Ein Eingriffswinkel kann dabei beispielsweise 24° betragen. Es versteht sich, dass auch andere Module, Zahngeometrien und/oder Profilverschiebungen vorgesehen sein können.
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Der Steg 30 weist eine erste Gruppe 36 von Aussparungen in Form eines Dreiecks mit abgerundeten Ecken auf, wobei ein Schenkel des Dreiecks im Wesentlichen parallel zur Zahnradaußenseite 28 verläuft und wobei eine Spitze des Dreiecks zur Zahnradmitte hin zeigt. Der Steg 30 weist weiterhin eine zweite Gruppe 38 von Aussparungen in Form von Rauten mit abgerundeten Ecken auf, wobei die Rauten derart angeordnet sind, dass eine Spitze einer Raute zur Zahnradmitte und eine dieser Spitze gegenüberliegende Spitze zur Zahnradaußenseite 28 zeigt. Die Raute ist dabei in radialer Richtung ausgerichtet. Der Steg 30 weist zudem eine dritte Gruppe 40 von Aussparungen in Form von Drachenvierecken mit abgerundeten Ecken auf, wobei eine Spitze mit dem kleinsten Innenwinkel in radialer Richtung zur Zahnradaußenseite 28 zeigt. Der Steg 30 weist ferner eine vierte Gruppe 42 von Aussparungen in Form von gleichseitigen Dreiecken mit abgerundeten Ecken auf, wobei ein Schenkel des Dreiecks im Wesentlichen parallel zum Zahnradfuß 24 verläuft und eine Spitze des Dreiecks in radialer Richtung zur Zahnradaußenseite 28 zeigt. Das Zahnrad 16 weist Bohrungen 44 zur Befestigung einer nicht gezeigten Radnabe an dem Zahnrad 16, vorzugsweise durch Anschrauben, auf.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht des Zahnrads 16. Die erste Gruppe 36 von Aussparungen ist dabei derart angeordnet, dass zwischen je zwei Dreiecken der ersten Gruppe 36 in Umfangsrichtung abwechselnd eine Raute der zweiten Gruppe 38 und ein Drachenviereck der dritten Gruppe 40 angeordnet ist. Die Aussparungen der zweiten Gruppe 38, also die Rauten, sind dabei radial weiter innen angeordnet als die Dreiecke der ersten Gruppe 36. Die Aussparungen der dritten Gruppe 40 sind derart angeordnet, dass eine Spitze des Drachenvierecks mit dem kleinsten Innenwinkel zwischen zwei Aussparungen der ersten Gruppe 36 zeigt. Die Aussparungen der vierten Gruppe 42 sind derart angeordnet, dass eine Spitze eines Dreiecks der Aussparungen der vierten Gruppe 42 auf eine Aussparung der dritten Gruppe 40, insbesondere eine Spitze des Drachenvierecks mit dem größten Innenwinkel zeigt. Die Drachenvierecke der Aussparungen der dritten Gruppe 40 sind zudem jeweils an derselben Umfangsposition jedoch radial weiter außen als die Bohrungen 44 angeordnet.
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In Umfangsrichtung befindet sich jeweils zwischen zwei Aussparungen der zweiten Gruppe 38 (Rauten) eine Aussparung der dritten Gruppe 40 (Drachenviereck). Zudem befinden sich in Umfangsrichtung radial innen jeweils zwischen zwei Aussparungen der zweiten Gruppe 38 abwechselnd eine Aussparung der vierten Gruppe 42 (gleichseitiges Dreieck) und eine Bohrung 44.
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In der gezeigten Ausführungsform sind jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Aussparungen der ersten Gruppe 36 durch eine Spiegelung an den radial ausgerichteten und in axialer Richtung verlaufenden Ebenen A1, A2 und A3 aufeinander abbildbar. Die Ebenen A1 sind dabei zudem Symmetrieebenen der Aussparungen der zweiten Gruppe 38.
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Jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Aussparungen der zweiten Gruppe 38 sind durch eine Spiegelung an den radial ausgerichteten und in axialer Richtung verlaufenden Ebenen A2 und A3 aufeinander abbildbar. Die Ebenen A2 sind zudem Symmetrieebenen der Aussparungen der vierten Gruppe 42. Die Ebenen A2 und A3 sind zudem Symmetrieebenen der Aussparungen der dritten Gruppe 40.
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Jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Aussparungen der dritten Gruppe 40 sind durch eine Spiegelung an den radial ausgerichteten und in axialer Richtung verlaufenden Ebenen A1 aufeinander abbildbar. Die Ebenen A1 sind zudem Symmetrieebenen der Aussparungen der zweiten Gruppe 38.
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Jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Aussparungen der vierten Gruppe 42 sind durch eine Spiegelung an den radial ausgerichteten und in axialer Richtung verlaufenden Ebenen A3 aufeinander abbildbar. Die Ebenen A3 sind zudem Symmetrieebenen einer Teilmenge der Aussparungen der dritten Gruppe 40.
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Die jeweilige Anzahl der Aussparungen der zweiten, dritten und vierten Gruppe 38, 40, 42 entspricht der Zähligkeit einer Drehsymmetrie der entsprechenden Gruppe 38, 40, 42. In der gezeigten Ausführungsform haben also die zweite Gruppe 38 und dritte Gruppe 40 eine zwölffache Drehsymmetrie und die vierte Gruppe 42 eine sechsfache Drehsymmetrie.
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Die Anzahl der Aussparungen der ersten Gruppe 36 entspricht dem Doppelten der Zähligkeit einer Drehsymmetrie der ersten Gruppe 36. In der gezeigten Ausführungsform hat also die erste Gruppe 36 eine zwölffache Drehsymmetrie, wobei die Anzahl der Aussparungen 24 beträgt.
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4 zeigt einen Ausschnitt des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Zahnrads 16. Gleiche Bezugsziffern beziehen sich auf dieselben Merkmale und werden im Folgenden nicht weiter erläutert. In 4 ist eine Krafteinwirkung 46 einer an einem Einwirkpunkt 48 an der Außenseite 28 des Zahnrads 16 auf das Zahnrad 16 ausgeübten Kraft durch eine Schraffur gezeigt. Je stärker die Schraffur, desto größer ist die Krafteinwirkung 46 an der entsprechenden Stelle des Stegs 30. Bei einer Krafteinwirkung am Einwirkpunkt 48 wird die Kraft folglich auf mehrere Teilkräfte verteilt, die an verschiedenen Seiten der Aussparungen der einzelnen Gruppen von Aussparungen wirkt. Es findet eine Art Kraftaufteilung durch mehrere Stegabschnitte statt. Die Aufspaltung der einwirkenden Kraft ist aufgrund der symmetrischen Ausgestaltung des Zahnrads 16 unabhängig von einer Winkellage, also einer Drehposition des Zahnrads um den Mittelpunkt des Zahnrads 16. Eine an einem beliebigen Einwirkpunkt an der Zahnradaußenseite 28 des Zahnrads einwirkende Kraft, vorzugsweise ohne axiale Komponente, wird immer aufgespalten.
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Durch den symmetrischen Aufbau des Zahnrads 16 ist eine Krafteinwirkung bei einer Drehrichtungsumkehr gespiegelt zur gezeigten Krafteinwirkung 46. Derartige Symmetrien sind besonders vorteilhaft bei Zahnrädern in Getrieben für elektrische Antriebsmaschinen, da hier sowohl Antriebskraft von der elektrischen Maschine 18 bereitgestellt werden kann, als auch Schubkraft zu der elektrischen Maschine 18 geleitet werden kann, um die elektrische Maschine 18 als Dynamo in einem Rekuperationsbetrieb zu betreiben.
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In 5 ist ein Schnitt durch ein Zahnrad 16 entlang der Linie B gezeigt. Gleiche Bezugsziffern beziehen sich auf gleiche Merkmale und werden im Folgenden nicht erneut erläutert. Der Steg 30 weist hierbei einen im Wesentlichen linearen Verlauf in radialer Richtung auf. Derartige Verläufe sind besonders vorteilhaft, wenn das Zahnrad 16 geradverzahnt ist, also die Zähne 34 des Zahnrads im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufen. In 5 sind zudem jeweils zwei Bohrungen 44 sowie zwei Aussparungen der vierten Gruppe 40 gezeigt. Die Bohrungen 44 sind dabei auf einem Hohlzylinder angeordnet, der eine größere axiale Ausdehnung aufweist als der Rest des Zahnradstegs 30, wobei die Aussparungen der zweiten Gruppe 38 und vierten Gruppe 42 zumindest teilweise auf diesem Hohlzylinder angeordnet sind. Vorliegend ist dieser Hohlzylinder als Teil des Stegs 30 zu verstehen.
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In 6 sind zwei Zähne 34 der Außenverzahnung 32 eines Zahnrads gemäß der vorliegenden Anmeldung gezeigt. Die Zähne 34 sind in dieser Ausführungsform leicht profilverschoben und weisen beispielsweise einen Modul von 1,51 mm auf. Die Zahnhöhe, also der Abstand zwischen Zahnfuß 52 und Zahnkopf 54 beträgt beispielsweise 1,5 mm. Es versteht sich, dass auch andere Zahngeometrien und Zahnhöhen, beispielsweise im Bereich von 1,0 mm bis 2,5 mm vorgesehen sein können. Das Zahnrad 16 gemäß der vorliegenden Anmeldung weist also im Verhältnis zu seinem Durchmesser eine geringe Zahnhöhe auf, insbesondere für den Bereich der KFZ -Getriebe.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektrofahrzeug
- 12
- Antriebsrad
- 14
- Antriebsachse
- 15
- Antriebsstrang
- 16
- Zahnrad
- 17
- Elektrofahrzeuggetriebe
- 18
- elektrische Maschine
- 20
- Differential
- 22
- Ritzel
- 24
- Zahnradfuß
- 26
- Getriebegehäuse
- 28
- Zahnradaußenseite
- 30
- Steg
- 32
- Außenverzahnung
- 34
- Zahn
- 36
- erste Gruppe von Aussparungen
- 38
- zweite Gruppe von Aussparungen
- 40
- dritte Gruppe von Aussparungen
- 42
- vierte Gruppe von Aussparungen
- 44
- Bohrung
- 46
- Krafteinwirkung
- 48
- Einwirkpunkt
- 52
- Zahnfuß
- 54
- Zahnkopf
