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Die Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, aufweisend eine erste Welle mit einem daran befestigten ersten Zahnrad und eine zweite Welle mit einem daran befestigten Wellenrad, das mit dem ersten Zahnrad zusammenwirkt.
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Bei Hubkolbenmotoren, bspw. Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen wie LKW oder PKW, besteht grundsätzlich das Problem, dass der Motor im Laufe der Kolbenbewegung zeitlich veränderlichen Beschleunigungskräften ausgesetzt ist, was zu Vibrationen führt, die eine mechanische Belastung darstellen und die außerdem das Motorgeräusch verstärken. Als Gegenmaßnahme hierzu ist es bekannt, die Kurbelwelle mit einer Ausgleichswelle (ggf. auch zwei Ausgleichswellen) zu koppeln. Dabei sind exzentrische Gewichte an der Ausgleichswelle befestigt, deren Bewegung dazu dient, die o.g. Beschleunigungskräfte wenigstens teilweise zu kompensieren. Üblicherweise rotiert die Ausgleichswelle mit einfacher, ggf. auch doppelter Kurbelwellendrehzahl. Die Kopplung der Ausgleichswelle an die Kurbelwelle kann durch Zahnräder, Ketten oder Zahnriemen erfolgen.
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Unabhängig von der Art der mechanischen Kopplung besteht allerdings die Gefahr, dass die verwendeten mechanischen Komponenten aufgrund eines fast immer gegebenen Spiels sowie von Fertigungsungenauigkeiten, die bspw. den Rundlauf beeinträchtigen, aneinanderschlagen oder gegeneinander reiben, was wiederum zu unerwünschter Geräuschentwicklung führt. Dies Problem lässt sich bis zu einem gewissen Grade beherrschen, wenn besonders geringe Fertigungstoleranzen eingehalten werden, was allerdings zu erhöhten Kosten führt. Daneben ist es bekannt, anstelle von einfachen, einstückigen Zahnrädern ein jeweils geteiltes Zahnrad mit gegeneinander verspannten Zahnradhälften einzusetzen. Durch die Verspannung der Zahnräder wird jegliches Spiel vermieden, wodurch sich die Geräuschentwicklung reduziert. Der vergleichsweise komplizierte Aufbau eines derartigen zweiteiligen Zahnrads führt allerdings wiederum zu erhöhten Kosten.
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Die
DE 42 39 963 A1 offenbart ein biegsames Treiborgan für einen Riemenantrieb. Dieses ist als wellenförmiger Riemen oder Gurt aus einem Kunststoffstreifen ausgebildet, der über ein gezahntes Antriebsrad geführt werden kann, wobei der Riemen aus einem durch Prägung plastisch verformten Kunststoff gefertigt ist. Wenigstens auf einer Seite der Wellung, bevorzugt auf beiden Seiten, weist der Riemen einen seitlich abstehenden Randstreifen zur Aufnahme einer Längszugkraft auf. In einem Ausführungsbeispiel ist der Riemen über das Antriebsrad sowie ein angetriebenes Rad geführt, wobei ein weiteres Zahnrad auf der abgewandten Seite des Riemens lose mit dem Antriebsrad kämmt.
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Aus der
DE 10 2014 220 551 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Antriebsriemen mit beidseitig ausgeformter Profilierung bekannt. Dabei wird eine Riemenformrolle, die außenseitig mit einer Negativform für die innere Profilierung des Antriebsriemens versehen ist, mit einem Antriebsriemenrohling versehen. Zum Aufbau des Antriebsriemenrohlings werden Zugstränge auf einen Gewebestrumpf aufgespult, eine Gummischicht aufgelegt und auf diese wiederum eine Gewebeschicht. Der Rohling wird zwischen der Riemenformrolle und einem die Negativform für die äußere Profilierung bildenden Formband hindurchgeführt. Die Drehbewegung der Riemenformrolle und des Formbandes sind so zueinander synchronisiert, dass sich keine Verschiebung zwischen innerer und äußerer Profilierung ergibt. Dabei wird die Riemenformrolle innenseitig so beheizt, dass eine Vulkanisierung des Rohlings erfolgt.
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Die
EP 0 214 742 B1 offenbart einen doppelseitig verzahnten Kraftübertragungsriemen mit einem elastomeren Körperbereich, der eine erste und eine zweite Umfangsfläche aufweist, und einem Zugband, das in den Körperbereich eingebettet ist. Auf einer ersten Seite des Körperbereichs sind erste Zähne ausgebildet und auf einer zweiten Seite des Körperbereichs zweite Zähne. Sowohl die ersten als auch die zweiten Zähne weisen einen elastomeren Innenbereich und einen Überzug auf. Dabei weist ein erster Überzug der ersten Zähne ein im Wesentlichen nicht-dehnbares Gewebe auf, und ein zweiter Überzug der zweiten Zähne ein dehnbares Gewebe. Hierdurch wird erreicht, dass die Zähne, die mit dem dehnbaren Gewebeüberzug bedeckt sind, eine höhere Federrate aufweisen als die flexiblen Zähne, die mit dem im Wesentlichen nicht-dehnbaren Gewebeüberzug bedeckt sind.
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Die
DE 39 31 480 A1 offenbart einen Zahnriemen aus elastomerem Material für einen aus Zahnriemen und Zahnrad bestehenden Riemenantrieb. Dabei ist vorgesehen, dass in die Kopffläche jedes Riemenzahnes ein Kopfstück eingebettet ist, welches aus einem Werkstoff mit einer gegenüber dem Riemenmaterial größeren Elastizität besteht. Dieses Kopfstück ist derart aus der Kopffläche des Riemenzahns vorgewölbt, dass es beim Auflaufen des Zahnriemens auf das Zahnrad zunächst mit einer höchsten Erhebung seiner vorgewölbten Außenseite auf den Grund der Zahnradnuten auftrifft und anschließend durch die betriebliche radiale Riemenspannung zu einer flächigen Anlage seiner Außenseite am Grund der Zahnradnuten zusammengedrückt wird.
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Die
DE 11 2014 000 744 zeigt eine Vorrichtung mit einem Kettenrad, das eine Vielzahl von Zähnen aufweist, die entlang des Umfangs eines Kettenradkörpers gebildet sind und die durch Zahngründe entlang des Umfangs des Kettenkörpers getrennt sind. Der Kettenradkörper weist eine Bohrung auf, die in seinem Mittelpunkt gebildet ist, sowie wenigstens einen radial verlaufenden Schlitz, in den ein elastomeres Material eingebettet ist. Dabei kann der Schlitz bspw. in einem Zahn oder in einem Zahngrund angeordnet sein.
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In der
DE 603 05 682 T2 ist ein Kettenrad offenbart, dass eine Nabe und eine Mehrzahl von Zähnen umfasst, die von der Nabe radial auswärts hervorstehen und durch Zahnlücken voneinander getrennt sind. Weiterhin umfasst das Kettenrad einen ersten und einen zweiten elastomeren Dämpfungsring, die an einer gegenüberliegenden ersten und zweiten axialen Seite der Zähne mit der Nabe verbunden sind. Der erste und zweite Dämpfungsring grenzen jeweils eine Mehrzahl von Druckpolstern ab, die durch sich axial erstreckende Rillen, die jeweils mit den Zahnlücken ausgerichtet sind und radial einwärts dazu angeordnet sind, umfänglich voneinander getrennt sind.
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Die
US 5,832,974 A offenbart einen geräuschunterdrückenden Kettenantrieb. Dieser umfasst eine Antriebskette, deren Kettenglieder jeweils Rollen aufweisen, die von plattenförmigen Laschen flankiert werden. Eine gezahnte Oberfläche eines Ritzels greift in die Antriebskette ein. Dabei ist entlang der gezahnten Oberfläche eine umlaufende Nut ausgebildet, in der ein elastisches Element angeordnet ist. Die jeweilige Rolle weist einen umlaufenden Wulst auf, der in die Nut eingreift, wodurch die Rolle wenigstens teilweise auf dem elastischen Element aufliegt.
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Die
JP 2007-211836 A zeigt ein geteiltes Zahnrad mit zwei tangential gegeneinander verspannten Hälften. Eine Hälfte dient dabei vorrangig der Kraftübertragung und die andere Hälfte vorrangig der Absorption von Stößen. Um die Geräuschentwicklung zu minimieren, sind axial zwischen den beiden Hälften eine Mehrzahl von elastischen Elementen angeordnet.
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Die
KR 10 2004 0026966 A offenbart ein Zahnrad für eine Ausgleichswelle, das zum Zusammenwirken mit einer Rollenkette vorgesehen ist. Das Zahnrad besteht dabei aus einem Mittelteil, an dem die Zähne ausgebildet sind, sowie zwei axial hieran angefügten Wangenteilen. Beiderseits angrenzend an die Zähne ist zwischen dem Mittelteil und jeweils einem Wangenteil ein O-Ring aus gummielastischem Material eingefügt, um die Geräuschentwicklung zwischen der Kette und dem Zahnrad zu minimieren.
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Die
US 3,068,710 A offenbart einen Zahnriemen aus flexiblem Kunststoffmaterial, bei dem ein zugfestes Material eingelagert ist. Insbesondere kann das zugfeste Material durch ein Drahtseil gebildet werden, das spulenartig mehrmals entlang des gesamten Zahnriemens geführt ist. Dabei ist der Draht auf Seiten der Zähne vollständig von Kunststoffmaterial bedeckt, während auf einer gegenüberliegenden Seite einzelne Abschnitte des Drahtes aus dem Kunststoffmaterial herausragen.
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Die
GB 744,907 A zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Treibriemens, bspw. eines Zahnriemens, wobei verstärkende Einlagen in einer Form platziert werden und anschließend ein thermoplastisches Kunststoffmaterial in die Form gegossen wird. Die Verstärkungen können schichtartig oder durch längs bzw. quer verlaufende Drähte gebildet sein. Es kann auch eine abriebfeste Deckschicht aufgebracht werden.
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Die
DE 10 2011 053 287 A1 offenbart einen Zahnriemen mit einem langgestreckten Gummirücken, in den eine Mehrzahl von verdrillten Drähten eingebettet sind, und einem gezahnten Gummi mit einer Mehrzahl von Riemenzähnen, der auf der Mehrzahl von verdrillten Drähten ausgebildet ist. Im Betriebszustand kämmen die Riemenzähne mit Riemenscheibenzähnen einer Riemenscheibe, wobei die Riemenscheibenzähne geradverzahnt sind, während die Riemenzähne schräg verzahnt sind.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Minimierung der Geräuschentwicklung beim Betrieb einer Ausgleichswelle noch Raum für Verbesserungen. Insbesondere wäre eine konstruktiv einfache und kostengünstige Lösung wünschenswert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in konstruktiv einfacher Weise eine Minimierung der Geräuschentwicklung beim Betrieb einer Ausgleichswelle zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Getriebeeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird eine Getriebeeinheit zur Verfügung gestellt, die eine erste Welle mit einem daran befestigten ersten Zahnrad aufweist sowie eine zweite Welle mit einem daran befestigten Wellenrad, das mit dem ersten Zahnrad zusammenwirkt. Selbstverständlich sind die erste und die zweite Welle dabei drehbar an einem gemeinsamen, ggf. mehrteiligen, Gehäuse oder Rahmen gelagert, wodurch die Relativpositionen der beiden Wellen zueinander festgelegt ist. Insbesondere kann die erste Welle im Betriebszustand durch Unwuchten belastet sein und die zweite Welle kann als Ausgleichswelle ausgebildet sein, an der im Betriebszustand Gewichte angeordnet sind, mittels derer Beschleunigungskräfte, die durch die Unwuchten entstehen, wenigstens teilweise kompensiert werden. Namentlich kann die erste Welle die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, z. B. eines Kraftfahrzeugmotors, sein. Umgekehrt ist es aber auch möglich, dass die erste Welle als Ausgleichswelle ausgebildet ist und die zweite Welle mit Unwuchten belastet ist, wobei insbesondere die zweite Welle als Kurbelwelle ausgebildet sein kann. Die Getriebeanordnung kann aber nicht nur in einem Verbrennungsmotor, sondern bspw. auch bspw. in einem Antrieb einer Ölpumpe verwendet werden. Das erste Zahnrad ist bevorzugt einstückig ausgebildet und wenigstens überwiegend, normalerweise vollständig unelastisch bzw. starr. Es kann insbesondere aus Metall bestehen, bspw. aus Sintermetall, Grauguss, Stahl oder Aluminium. Es sitzt zumindest drehfest auf der ersten Welle auf. Auch eine einstückige Fertigung mit der ersten Welle oder mit einem Teil derselben ist möglich. Normalerweise weist das erste Zahnrad eine gerade Verzahnung auf, prinzipiell wäre aber auch eine Schrägverzahnung, Pfeilzahnung oder dergleichen denkbar. Das erste Zahnrad ist ebenso wie die weiteren nachfolgend noch genannten Zahnräder normalerweise als Stirnrad ausgebildet.
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An der zweiten Welle ist ein Wellenrad befestigt, das seinerseits zumindest drehfest auf der zweiten Welle aufsitzt. Das Wellenrad wirkt mit dem ersten Zahnrad zusammen, d. h. es greift mit dem ersten Zahnrad ein, wobei in bekannter Weise durch Formschluss ein Drehmoment zwischen dem ersten Zahnrad und dem Wellenrad und somit zwischen der ersten Welle und der zweite Welle übertragen wird. In den Fällen, in denen die zweite Welle als Ausgleichswelle fungiert, ist zwischen dem ersten Zahnrad und dem Wellenrad normalerweise ein Übersetzungsverhältnis von 1 oder 2 vorgesehen.
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Erfindungsgemäß weist das Wellenrad wellenseitig einen unelastischen Basiskörper auf sowie außenseitig eine mit dem Basiskörper drehmomentübertragend verbundene Zahnkranzanordnung auf, die elastisch verformbare äußere Zähne zum Eingriff mit dem ersten Zahnrad aufweist. D. h., das Wellenrad besteht aus wenigstens zwei Teilen, die sich hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften unterscheiden lassen. Der eine Teil, der Basiskörper, ist dabei wellenseitig angeordnet, also zur Welle hin bzw. radial innen. Der andere Teil, die Zahnkranzanordnung, ist außenseitig angeordnet, also entfernt von der Welle bzw. radial außen. Bevorzugt erstreckt sich der Basiskörper radial von der Welle bis zur Zahnkranzanordnung. Weiterhin bevorzugt ist der Basiskörper einstückig ausgebildet. Er kann aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material bestehen wie das erste Zahnrad, also typischerweise Metall. Die Zahnkranzanordnung kann den Basiskörper radial außenseitig teilweise oder vollständig umgeben. Sie ist dabei in ihrer Gesamtheit außenseitig angrenzend an den Basiskörper angeordnet und kann insbesondere wenigstens abschnittsweise mit diesem in Kontakt stehen. In jedem Fall ist sie drehmomentübertragend mit dem Basiskörper verbunden, d. h. es besteht eine Verbindung zwischen der Zahnkranzanordnung und dem Basiskörper, durch die ein auf die Zahnkranzanordnung wirkendes Drehmoment auf den Basiskörper übertragen wird und umgekehrt. Dies impliziert, dass durch die genannte Verbindung ein Verdrehen der Zahnkranzanordnung gegenüber dem Basiskörper (tangential bezüglich der Achse der zweiten Welle) verhindert oder zumindest beschränkt wird. Dies schließt allerdings allein schon wegen der elastischen Eigenschaft der äußeren Zähne nicht aus, dass sich wenigstens Teile der Zahnkranzanordnung in begrenztem Maße gegenüber dem Basiskörper tangential bewegen.
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Wie erwähnt weist die Zahnkranzanordnung äußere Zähne auf, die elastisch verformbar sind, während der Basiskörper unelastisch ist. Diese Eigenschaften sind zunächst einmal in Relation zueinander zu verstehen, d. h. die Elastizität der äußeren Zähne ist wesentlich größer als die des Basiskörpers, so dass letztere während des normalen Betriebs der Getriebeeinheit vernachlässigt werden kann. Man könnte den Basiskörper auch als starr bzw. verformungssteif bezeichnen. Bspw. kann der Basiskörper aus einem Material gefertigt sein, dessen Elastizitätsmodul wenigstens 10mal größer ist als der eines Materials, aus dem die Zähne (wenigstens teilweise) gefertigt sind. Der Elastizitätsmodul eines Materials der Zähne kann insbesondere kleiner als 10 sein. Wie später noch ausgeführt wird, können die äußeren Zähne neben elastischen Materialien auch unelastische Materialien aufweisen. Die äußeren Zähne greifen mit dem ersten Zahnrad, bzw. mit Zähnen desselben, ein. In seiner Gesamtheit wirkt das Wellenrad also wie ein Zahnrad. Der Begriff "äußere Zähne" bedeutet, dass diese bezüglich der zweiten Welle radial außen liegen. Die Teilung (also der Abstand von Zahnmitte zu Zahnmitte) der Zahnkranzanordnung ist normalerweise identisch mit derjenigen des ersten Zahnrads, wenngleich geringfügige Abweichungen hiervon denkbar wären. Bevorzugt sind die äußeren Zähne konzentrisch bezüglich der zweiten Welle bzw. in gleichem Abstand zu dieser angeordnet.
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Die äußeren Zähne verhalten sich nicht starr gegenüber dem Basiskörper, sondern können beim Eingreifen mit dem ersten Zahnrad eine elastische Verformung erfahren. Hierdurch ist es möglich, dass selbst dann, wenn die Form der Zahnkranzanordnung nicht exakt auf das erste Zahnrad abgestimmt ist, dennoch ein spielfreier Eingriff erfolgt, da etwaige Ungenauigkeiten durch eine elastische Verformung der äußeren Zähne ausgeglichen werden. Es wäre sogar denkbar, dass hiermit eine systematische Ungleichheit der Teilungen von Zahnkranzanordnung und erstem Zahnrad ausgeglichen werden könnte, sofern diese Ungleichheit nicht zu groß ist. Gleiches gilt für einen etwaigen mangelnden Rundlauf des ersten Zahnrads oder des Wellenrads. Da somit keine besonders geringen Fertigungstoleranzen eingehalten werden müssen, verbilligt sich der Fertigungsprozess. Außerdem wird durch das elastische Material der äußeren Zähne eine Geräuschentwicklung durch das Aufeinandertreffen mit den Zähnen des ersten Zahnrads weitgehend unterdrückt. Außerdem wird die Übertragung von Vibrationen zwischen der ersten und der zweiten Welle gedämpft. Dabei kann die erfindungsgemäße Getriebeeinheit kostengünstig realisiert werden, da der Basiskörper einstückig gefertigt sein kann, was im Gegensatz zu verspannten zweiteiligen Zahnrädern im Stand der Technik steht. Auch die Zahnkranzanordnung kann vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden. Dadurch, dass das erste Zahnrad mit den elastischen äußeren Zähnen in Eingriff steht, wird es mechanisch weniger belastet, so dass ggf. auf eine kostenintensive Härtung verzichtet werden kann.
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Es sind Ausführungsformen denkbar, in denen die Zahnkranzanordnung aus zwei oder mehr Teilen besteht, die bspw. in Umfangsrichtung, also tangential, aufeinanderfolgend an der Außenseite des Basiskörpers angeordnet sind. Bevorzugt ist die Zahnkranzanordnung allerdings einstückig ausgebildet. Im einfachsten Fall kann sie durch einen einzigen Urformschritt aus einem elastischen Material geformt werden. In jedem Fall vereinfacht sich der Herstellungsprozess durch eine einstückige Fertigung. Gleiches gilt für den Zusammenbau der Getriebeeinheit, da zur Herstellung des Wellenrades lediglich ein einziges Teil an den Wellenkörper angefügt werden muss. Eine einstückige Zahnkranzanordnung kann insgesamt als ringartig beschrieben werden. Bevorzugt kann hierbei vorgesehen sein, dass zum Aufsetzen der Zahnkranzanordnung auf den Basiskörper eine geringfügige elastische Aufweitung notwendig ist, so dass die Zahnkranzanordnung anschließend radial nach innen gegen den Basiskörper vorgespannt ist, wodurch z. B. ein Formschluss verbessert und/oder durch einen Kraftschluss ergänzt werden kann.
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Bevorzugt ist die Zahnkranzanordnung formschlüssig mit dem Basiskörper verbunden. Damit ist insbesondere ein Formschluss in tangentialer Richtung gemeint, also in Umlaufrichtung bezüglich der zweiten Welle. Durch diesen Formschluss wird ein Verdrehen der Zahnkranzanordnung gegenüber dem Basiskörper (tangential bezüglich der Achse der zweiten Welle) verhindert oder zumindest auf ein vernachlässigbares Ausmaß beschränkt. Im weitesten Sinne bedeutet dies, dass eine Innenkontur der Zahnkranzanordnung sowie eine hiermit im Eingriff stehende Außenkontur des Basiskörpers nicht konzentrisch kreisförmig bezüglich der zweiten Welle ausgebildet sind. Vielmehr weist der Basiskörper radial nach außen vorspringende Strukturen auf, die mit radial nach außen zurückweichenden Strukturen der Zahnkranzanordnung eingreifen und/oder die Zahnkranzanordnung weist radial nach innen vorspringende Strukturen auf, die mit radial nach innen zurückweichenden Strukturen des Basiskörpers eingreifen.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist der Basiskörper als zweites Zahnrad ausgebildet, wobei die Zahnkranzanordnung innere Zähne aufweist, die zwischen Basiskörperzähnen des Basiskörpers angeordnet sind. Der Formschluss wird also in diesem Fall durch die inneren Zähne und die Basiskörperzähne hergestellt. Die inneren Zähne sind bevorzugt elastisch verformbar. Prinzipiell kann die Teilung des zweiten Zahnrads unabhängig von derjenigen des ersten Zahnrads gewählt werden, da diese beiden Zahnräder nicht unmittelbar ineinander eingreifen. Falls ein Übersetzungsverhältnis von 1 zwischen dem ersten Zahnrad und dem Wellenrad vorgesehen ist, weist das erste Zahnrad normalerweise einen größeren Außenradius auf als das zweite Zahnrad, da an diesem außenseitig noch die Zahnkranzanordnung angeordnet ist. Um einen möglichst sicheren Eingriff zu gewährleisten, entspricht die Anzahl der inneren Zähne bevorzugt der Anzahl der Basiskörperzähne, so dass jeweils ein innerer Zahn zwischen zwei Basiskörperzähnen angeordnet ist und umgekehrt. Sofern die inneren Zähne oder zumindest angrenzende Teile der Zahnkranzanordnung elastisch verformbar sind, muss die Form bzw. Anordnung der inneren Zähne nicht mit besonderer Genauigkeit an die Form bzw. Anordnung der Basiskörperzähne angepasst sein, da etwaige Abweichungen durch elastische Verformung ausgeglichen werden können. Die hier geschilderte Ausgestaltung kann insofern vorteilhaft sein, als für den Basiskörper unter Umständen kein eigens konzipiertes Bauteil vorgesehen werden muss, sondern vielmehr ein gewissermaßen konventionelles Zahnrad verwendet werden kann.
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Die Zahl der inneren Zähne und der äußeren Zähne kann voneinander abweichen oder sie kann gleich sein. Insbesondere kann jeweils ein innerer Zahn einem äußeren Zahn gegenüberliegend angeordnet sein. Damit ist gemeint, dass die genannten Zähne einander radial gegenüberliegen. Dies kann unter Umständen Vorteile hinsichtlich der Stabilität haben, da der innere Zahn zwischen zwei Basiskörperzähnen normalerweise relativ stabil angeordnet ist und eine benachbarte Anordnung des äußeren Zahns letzteren mit stabilisieren kann.
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Bevorzugt gehen die inneren und äußeren Zähne von einem zwischengeordneten, ringförmigen Bandabschnitt aus. Der ringförmige Bandabschnitt stellt hierbei gewissermaßen den Zusammenhalt der Zahnkranzanordnung her. Er kann hinsichtlich Form und Zusammensetzung bezüglich dieser Funktion optimiert sein, bspw. derart, dass er zwischen benachbarten Zähnen wirkende tangentiale Kräfte optimal aufnimmt. Für sich betrachtet kann der Bandabschnitt die Form eines Zylindermantels haben, von dem radial nach innen bzw. außen die jeweiligen Zähne abgehen. Bei dieser Ausgestaltung kann die Zahnkranzanordnung durch einen doppelt bzw. beidseitig gezahnten Zahnriemen gebildet sein. Dessen Abmessung ist allerdings so ausgewählt, dass er den Basiskörper umlaufend umgibt, wobei allenfalls bereichsweise ein geringfügiger Abstand zwischen dem Zahnriemen und dem Basiskörper gegeben ist. Der Basiskörper kann wiederum als Zahnrad ausgebildet sein, so dass sich die Getriebeeinheit mit an sich konventionellen Bauteilen realisieren lässt, die hier allerdings in nicht-konventioneller Weise verwendet werden.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit lassen sich besonders gut realisieren, wenn die Zahnkranzanordnung wenigstens teilweise aus gummielastischem Material besteht. Man könnte auch von einem Elastomer sprechen. Denkbare Materialien hierbei wären bspw. Gummi, bestimmte Arten von Kautschuk oder Polyurethan. Namentlich kann wenigstens ein oberflächennaher Bereich der inneren und/oder äußeren Zähne aus gummielastischem Material bestehen.
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Vorteilhaft besteht die Zahnkranzanordnung wenigstens teilweise aus Verbundwerkstoff. Hierbei ist ein schichtartiger Aufbau denkbar, bei dem beispielsweise der o.g. Bandabschnitt aus mehreren Schichten aufgebaut sein kann. Weiterhin ist es denkbar, dass die Zahnkranzanordnung an einer Oberfläche eine Schicht aufweist, die z. B. eine besondere Abriebfestigkeit aufweist. Wenn wie oben geschildert ein oberflächennaher Bereich der Zähne aus gummielastischem Material besteht, kann hierauf eine (dünne) Deckschicht aufgebracht sein, die das insgesamt gummielastische Verhalten nur wenig beeinträchtigt. Auch ist es möglich, dass in den Bandabschnitt, die inneren Zähne und/oder die äußeren Zähne einzelne Fasern oder Gewebe bzw. Gelege von Fasern eingebettet sind, um z. B. die Zugfestigkeit oder Steifigkeit zu erhöhen. Es könnten auch Hartstoffpartikel eingelagert sein, die die Abriebfestigkeit erhöhen. Die Fasern bzw. Partikel wären dabei jeweils in eine Matrix aus elastischem Material, z. B. gummielastischem Material eingebettet, was die Möglichkeit einschließt, dass sie teilweise aus diesem Material herausragen.
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Eine weitere Möglichkeit der Verstärkung besteht darin, dass wenigstens einige der inneren Zähne und/oder der äußeren Zähne einen unelastischen Kern aufweisen, der wenigstens teilweise von elastischem Material umgeben ist. Normalerweise weisen dabei alle äußeren Zähne einen unelastischen Kern auf. Ein solcher Kern kann bspw. aus Metall, Keramik oder Hartkunststoff bestehen. Seine Funktion ist, dem jeweiligen Zahn eine bessere Stabilität zu verleihen. Alternativ oder zusätzlich können einige oder alle inneren Zähne einen unelastischen Kern aufweisen, wobei insbesondere ein unelastischer Kern durchgehend von einem äußeren Zahn zu einem inneren Zahn ausgebildet sein kann. Hierdurch wird die oben angesprochene Stabilisierung des äußeren Zahns durch den inneren Zahn maximiert. Das elastische Material bildet dabei eine Deckschicht über dem unelastischen Kern. Es kann sich bspw. um gummielastisches Material handeln, in das optional Fasern zur Verstärkung eingelagert sind.
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Alternativ zu einer formschlüssigen Verbindung oder aber zusätzlich, um den strukturellen Zusammenhalt des Wellenrads weiter zu verbessern, ist es möglich, dass die Zahnkranzanordnung stoffschlüssig mit dem Basiskörper verbunden ist. Hierbei sind grundsätzlich zwei Optionen denkbar. Einerseits kann die Zahnkranzanordnung vorab separat gefertigt und anschließend an den Basiskörper angeklebt werden. Andererseits ist es möglich, dass die Zahnkranzanordnung bereits beim Urformen an den Basiskörper angeformt wird, also das bspw. eine wenigstens teilweise aus Gummi bestehende Zahnkranzanordnung direkt an den Basiskörper anvulkanisiert wird, wobei normalerweise ein Haftvermittler notwendig ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung, die bspw. bei einem Verbrennungsmotor mit zwei Ausgleichswellen vorteilhaft eingesetzt werden kann, weist die Getriebeeinheit eine dritte Welle mit einem daran befestigten dritten Zahnrad auf, wobei das Wellenrad in dem dritten Zahnrad eingreift. Die oben beschriebenen positiven Effekte der Ankopplung des ersten Zahnrads über die elastischen äußeren Zähne ergeben sich hierbei selbstverständlich auch bei der Ankopplung des dritten Zahnrads an das Wellenrad. Das dritte Zahnrad kann ähnlich wie das erste Zahnrad unelastisch, bspw. aus Metall, ausgebildet sein. Auch ist eine einstückige und somit kostengünstige Fertigung des dritten Zahnrads möglich, im Gegensatz zum Stand der Technik, wobei vergleichbaren Anordnungen ein zusätzliches zweiteiliges Zahnrad notwendig ist, um ein ungewolltes Spiel zu verhindern. Dabei kann die erste Welle die Kurbelwelle des Motors sein, während die zweite und dritte Welle zwei aneinander gekoppelte Ausgleichswellen sind. Alternativ wäre aber auch bspw. denkbar, dass die erste und die dritte Welle als Ausgleichswellen ausgebildet sind, während die zweite Welle die Kurbelwelle ist.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit;
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit; sowie
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3 eine vergrößerte teilweise Schnittdarstellung eines Teils der Getriebeeinheit aus 1.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 1, die im vorliegenden Fall Teil eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs ist. Dabei ist ein erstes Zahnrad 3 drehfest an eine Kurbelwelle 1 gekoppelt, die an einem (nicht dargestellten) Motorgehäuse drehbar gelagert ist. Das erste Zahnrad 3 besteht aus Metall, bspw. Sintermetall, Stahl, Grauguss oder Aluminium, und verhält sich im Wesentlichen unelastisch bzw. steif. Dies bedeutet, dass das erste Zahnrad 3 sowie insbesondere eine Mehrzahl von ersten Zähnen 4, die außenseitig daran ausgebildet sind, während des Betriebs der Getriebeeinheit keine nennenswerte Verformung erfahren.
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Das erste Zahnrad 3 wirkt mit einem Wellenrad 6 zusammen, das drehfest mit einer Ausgleichswelle 5 verbunden ist. Während das erste Zahnrad 3 einstückig gefertigt ist, weist das Wellenrads 6 innenseitig ein zweites Zahnrad 7 auf, das einen Basiskörper des Wellenrads 6 bildet, sowie außenseitig einen doppelt gezahnten Zahnriemen 10, der eine Zahnkranzanordnung des Wellenrads 6 bildet. Die Abmessungen des Zahnriemens 10 sind dabei so gewählt, dass er unter leichter radialer Vorspannung außen auf dem zweiten Zahnrad 7 aufsitzt. Dabei greifen innere Zähne 11 des Zahnriemens 10 in zweiten Zähnen 8 des zweiten Zahnrads 7 ein bzw. sind intermittierend zwischen diesen angeordnet. Damit wird in tangentialer Richtung ein Formschluss zwischen dem zweiten Zahnrad 7 und dem Zahnriemen 10 hergestellt, wodurch diese drehmomentübertragend aneinander gekoppelt sind. Äußere Zähne 12 des Zahnriemens 10, die jeweils inneren Zähnen 11 gegenüberliegend angeordnet sind, greifen in den ersten Zähnen 4 ein und ermöglichen so eine Drehmomentübertragung vom ersten Zahnrad 3 auf das Wellenrad 6. Um die Struktur der zweiten Zähne 8 besser sichtbar zu machen, ist ein Teil des Zahnriemens 10 weggelassen und nur mit einer gestrichelten Linie dessen Kontur dargestellt.
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Wie in der teilweisen Schnittdarstellung in 3 erkennbar ist, die einen Teil des Wellenrads 6 zeigt, weist der Zahnriemen 10 eine Matrix aus Gummi 13 auf, in die im Bereich der inneren Zähne 11 sowie äußeren Zähne 12 Verstärkungskörper 14 aus Metall eingelagert sind. Statt Gummi könnte auch ein anderes Elastomer verwendet werden. Dabei ist jeder Verstärkungskörper 14 von einem inneren Zahn 11 bis in einen äußeren Zahn 12 durchgehend ausgebildet. Hierdurch ergeben sich insgesamt eine Stabilisierung der äußeren Zähne 12 und eine verbesserte Ankopplung an das zweite Zahnrad 7. Der Verstärkungskörper 14 bildet dabei einen unelastischen Kern des jeweiligen Zahns 11, 12, der allerdings von einem elastischen Mantel aus Gummi 13 umgeben ist. Hierdurch ist der jeweilige Zahn 11, 12 nach wie vor elastisch verformbar. Alternativ zu der hier gezeigten Ausgestaltung könnte der Verstärkungskörper 14 auch komplett weggelassen werden, es könnten separate Verstärkungskörper für die inneren Zähne 11 und äußeren Zähne 12 vorgesehen sein oder der jeweilige Verstärkungskörper könnte auf den inneren Zahn 11 oder den äußeren Zahn 12 beschränkt sein. Wie sowohl in 1 als auch in 3 erkennbar ist, gehen die inneren und äußeren Zähne 11, 12 beiderseits von einem Bandabschnitt 15 aus, der sich kreisringförmig entlang des Zahnriemens 10 erstreckt. Um diesen Bandabschnitt 15 gegenüber tangential wirkenden Zugkräften zu stabilisieren, kann dieser bspw. durch Fasern 16 (bspw. Carbonfasern oder Glasfasern) verstärkt werden. In 3 enden die Fasern 16 jeweils vor einem Verstärkungskörper 14, sie können aber auch um diesen herumgeführt sein. Sowohl die Verstärkungskörper 14 als auch die Fasern 16 werden beim Urformen des Zahnriemens 10 in die Matrix aus Gummi 13 eingelagert. Der Formschluss zwischen dem Zahnriemen 10 und dem zweiten Zahnrad 7 kann optional durch einen Stoffschluss ergänzt werden, in dem der Zahnriemen 10 angeklebt wird oder ggf. unter Verwendung eines Haftvermittlers unmittelbar an das zweite Zahnrad 7 anvulkanisiert wird.
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Dadurch, dass die ersten Zähne 4 in den elastisch verformbaren äußeren Zähnen 12 eingreifen, wird die Geräuschentwicklung der Getriebeeinheit 1 wesentlich reduziert. Außerdem können etwaige Vibrationen nur in geringem Maße zwischen der Kurbelwelle 2 und der Ausgleichswelle 5 übertragen werden, da diese durch das Gummi 13 des Zahnriemens 10 gedämpft werden. Außerdem müssen für einen spielfreien Eingriff weder die ersten Zähne 4 noch die äußeren Zähne 12 mit besonderer Präzision gefertigt sein, da etwaige Abweichungen durch die elastische Verformung der äußeren Zähne 12 ausgeglichen werden können. Außerdem verringert sich die mechanische Belastung der ersten Zähne 4, weshalb diese nicht aufwendig gehärtet werden müssen. Gleiches gilt selbstverständlich für die zweiten Zähne 8 des zweiten Zahnrads 7.
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Alternativ zu der hier gezeigten Ausgestaltung könnte ein Wellenrad, das einen wellenseitiges Zahnrad und einen hierauf aufsitzenden Zahnriemen aufweist, an der Kurbelwelle 2 befestigt sein, während an der Ausgleichswelle 5 ein einteiliges Zahnrad befestigt ist. Hiermit wären im Wesentlichen die gleichen Vorteile verbunden.
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1 zeigt eine Getriebeeinheit 1 mit einer einzigen Ausgleichswelle 5. Dabei ist ein Übersetzungsverhältnis von 1 gegeben. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform mit zwei Ausgleichswellen 5, 17. Hierbei greift das Wellenrad 6 einer ersten Ausgleichswelle 5 mit dem ersten Zahnrad 3 der Kurbelwelle 2 ein. Das erste Zahnrad 3 kann hierbei zur Ausführungsform in 1 identisch ausgebildet sein. Im Unterschied zu 1 ist hier ein Übersetzungsverhältnis von 2 zwischen dem ersten Zahnrad 3 und dem Wellenrad 6 gewählt. Dementsprechend sind sowohl das zweite Zahnrad 7 als auch der auf diesem aufsitzende Zahnriemen 10 kleiner dimensioniert als in 1 und weisen eine geringere Anzahl von zweiten Zähnen 8, inneren Zähnen 11 sowie äußeren Zähnen 12 auf. Das Wellenrad 6 wirkt mit einem dritten Zahnrad 18 zusammen, das drehfest mit einer zweiten Ausgleichswelle 17 verbunden ist. Dabei kann das dritte Zahnrad 18 ebenfalls einstückig aus Metall gefertigt sein. Außenseitige dritte Zähne 19 des dritten Zahnrads 18 greifen dabei in den äußeren Zähnen 12 ein, wobei sich durch die elastische Verformbarkeit der äußeren Zähne 12 auch hier die oben mit Bezug auf das erste Zahnrad 3 und das Wellenrad 6 geschilderten Vorteil ergeben.
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Sowohl bei 1 als auch bei 2 ist das Wellenrad 6 mechanisch vergleichsweise einfach aufgebaut und kann kostengünstig hergestellt werden. Es besteht jeweils aus einem im Wesentlichen konventionellen, einstückig gefertigten zweiten Zahnrad 7 sowie einem Zahnriemen 10, der ebenfalls einstückig gefertigt ist. Eine mechanisch komplizierte mehrteilige Fertigung entfällt und es sind auch keine besonders niedrigen Fertigungstoleranzen einzuhalten. Aufgrund dessen ist die Getriebeeinheit 1 besonders kostengünstig herzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebeeinheit
- 2, 5, 17
- Welle
- 3, 7, 18
- Zahnrad
- 4, 8, 19
- Zahn
- 6
- Wellenrad
- 10
- Zahnriemen
- 11
- innerer Zahn
- 12
- äußerer Zahn
- 13
- Gummi
- 14
- Verstärkungskörper
- 15
- Bandabschnitt
- 16
- Faser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4239963 A1 [0004]
- DE 102014220551 A1 [0005]
- EP 0214742 B1 [0006]
- DE 3931480 A1 [0007]
- DE 112014000744 [0008]
- DE 60305682 T2 [0009]
- US 5832974 A [0010]
- JP 2007-211836 A [0011]
- KR 1020040026966 A [0012]
- US 3068710 A [0013]
- GB 744907 A [0014]
- DE 102011053287 A1 [0015]
