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Die Erfindung betrifft ein Zahnrad für ein Zahnräderwechselgetriebe in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Zur Reduzierung der Masse von Zahnräderwechselgetrieben für Kraftfahrzeuge ist es bekannt Hohlwellentechnologien zu verwenden oder Leichtbauräder einzusetzen. Im Bereich der Zahnräder spricht man von Leichtbaurädern jedoch ausschließlich dann, wenn diese eine große Durchmesserdifferenz zwischen Zahnkranz und Zahnradnabe aufweisen und infolgedessen am Steg gelocht werden können oder die Wandstärke des Stegs reduziert werden kann. Zahnräder, deren Durchmesserdifferenz zwischen Zahnkranz und Zahnradnabe gering ist und infolgedessen die konstruktive Ausbildung eines separaten Verbindungsstegs zwischen Zahnkranz und Zahnradnabe nicht möglich ist, werden derzeit in Kraftfahrzeugen nicht gewichtsoptimiert, wodurch ein weiteres habhaftes Potential zur Reduzierung der Masse und damit des Kraftstoffverbrauchs, beziehungsweise des CO2-Ausstoßes ungenutzt bleibt.
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Aus der
DE19623773A1 ist ein Zahnrad für ein Zahnräderwechselgetriebe in einem Kraftfahrzeug bekannt, welches einen Zahnkranz mit einer Zahnradnabe über eine Scheibe und eine Stützscheibe verbindet, so dass sich ein Hohlraum zwischen Scheibe und Stützscheibe bildet, welcher einer Gewichtsreduzierung des Zahnrads bewirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zahnräderwechselgetriebe für Kraftfahrzeuge zu entwickeln, mit welchem eine weitere Einsparung des Kraftstoffverbrauchs des Kraftfahrzeugs bewirkbar ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Zahnräderwechselgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist in einem Zahnräderwechselgetriebe für ein Kraftfahrzeug ein eine Zahnradnabe und einen Zahnkranz aufweisendes Zahnrad vorgesehen, wobei das Zahnrad auf einer Welle angeordnet ist. Die Zahnradnabe weist in radialer Richtung zwei Bereiche auf, einen Zahnradnabenaußenbereich und einen Zahnradnabeninnenbereich, wobei der Zahnradnabeninnenbereich in axialer Richtung mindestens in folgender Reihenfolge drei aneinander angrenzende Bereiche aufweist:
- – Einen ersten im Wesentlichen aussparungsfreien Zahnradnabeninnenbereich,
- – einen zweiten im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereich und
- – einen dritten im Wesentlichen aussparungsfreien Zahnradnabeninnenbereich.
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Unter einem Zahnräderwechselgetriebe für Kraftfahrzeuge ist im Rahmen der Erfindung insbesondere ein Stirnradgetriebe zu verstehen, wobei das Stirnradgetriebe als manuelles oder automatisiertes Schaltgetriebe oder auch als Doppelkupplungsgetriebe ausgeführt sein kann.
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Unter einem auf einer Welle angeordneten Zahnrad soll im Rahmen der Erfindung sowohl ein Losrad als auch ein Festrad verstanden werden. Ein Losrad ist ein Zahnrad, welches drehbar mittels einer Radiallagerung auf der Welle gelagert ist, ein Festrad ist hingegen drehfest mit der Welle verbunden. Festräder sind in der Regel über einen Pressverband mit der Welle verbunden.
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Die Erfindung ist für Zahnräderwechselgetriebe von verschiedensten Kraftfahrzeugen vorteilhaft, beispielsweise für Lastkraftwagen, Personenkraftwagen und Busse.
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Unter einem im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereich des Zahnradnabeninnenbereichs soll im Rahmen der Erfindung verstanden werden, dass in diesem Bereich im Wesentlichen kein Zahnradnabenmaterial vorhanden ist, insbesondere dass dieser Bereich als Hohlraum ausgeführt ist. Insbesondere ist der zahnradnabenmaterialfreie Aussparungsbereich durch eine Aufweitung eines Innendurchmessers der Zahnradnabe im im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereich darstellbar, wodurch eine zahnradnabenmaterialfreie Aussparung des Zahnrads auf der Zahnradnabeninnenseite in diesem Bereich bewirkbar ist. Unter einem im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereich des Zahnradnabeninnenbereichs soll im Rahmen der Erfindung verstanden werden, dass der Aussparungsbereich nicht notwendigerweise vollständig zahnradnabenmaterialfrei ist, sondern dass bedingt durch eventuelle Einbauten, beispielsweise Stege oder gerundete Kanten Zahnradnabenmaterial und/oder anderes Material vorhanden ist.
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Vorteilhaft ist mit dem erfindungsgemäßen im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereich, welcher insbesondere im Wesentlichen als Hohlraum ausgeführt ist, eine Masseneinsparung eines Zahnrads bewirkbar, wodurch ein Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeugs reduzierbar ist. Vorteilhaft ist der zahnradnabenmaterialfreie Aussparungsbereich möglichst groß zu wählen, um eine maximal mögliche Masseneinsparung zu bewirken. Eine geometrische Ausgestaltung des im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereichs wird durch eine Bauteilbeanspruchung des Zahnrads im Anwendungsfall bestimmt. Es ist auch denkbar, dass der im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreie Aussparungsbereich im Wesentlichen ein Material aufweist, welches über ein spezifisch geringeres Gewicht verfügt. Vorteilhaft dient zudem der erfindungsgemäße im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreie Aussparungsbereich nicht nur zur Reduzierung der Masse des Zahnrads, sondern reduziert auch ein Massenträgheitsmoment des Zahnrads, wodurch eine Reduzierung des gesamten zu synchronisierenden Massenträgheitsmoments erzielbar ist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein Kraftfluss für eine Kraftübertragung zwischen dem Zahnrad und der Welle durch den ersten und/oder dritten Zahnradnabeninnenbereich hindurch. Eine axiale Breite des im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereichs kann sich vorteilhaft über die gesamte axiale Breite erstrecken, welche nicht für eine Kraftübertragung zwischen dem Zahnrad und der Welle notwendig ist. Eine axiale Lage des im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereich ist nicht notwendigerweise symmetrisch zur axialen Mittelachse des Zahnrads festzulegen, sondern abhängig von der Lage und Breite der für eine Kraftübertragung zwischen Zahnrad und Welle notwendigen Übertragungsfläche.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Zahnräderwechselgetriebe ein Zahnrad mit einer Radiendifferenz zwischen einem Zahnradnabenaußenradius und einem Außenradius des Zahnradnabeninnenbereichs in der Größenordnung von einer Zahnhöhe auf, siehe auch 1. Da eine Radiendifferenz zwischen einem Zahnradnabenaußenradius und einem Außenradius des Zahnradnabeninnenbereichs jedoch von einer Applikation und einer Belastung des Zahnrads abhängig ist, ist eine Festlegung der Radiusdifferenz im Anwendungsfall der Erfindung je nach Kraftfahrzeugtyp, Drehmomentstärke des Verbrennungsmotors und der durch das Zahnrad dargestellten Übersetzung vorzunehmen. Die Radiendifferenz zwischen einem Zahnradnabenaußenradius und einem Außenradius des Zahnradnabeninnenbereichs kann im Rahmen der Erfindung zwischen ½ der Zahnhöhe und ein 1½ der Zahnhöhe betragen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreie Aussparungsbereich des Zahnradnabeninnenbereichs eine sich im Wesentlichen über 360 Grad umlaufend erstreckende Gestalt auf. Unter einer im Wesentlichen radial umlaufend erstreckenden Gestalt des im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreie Aussparungsbereichs wird im Rahmen der Erfindung verstanden, dass der im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreie Aussparungsbereich eine zu einer Drehachse des Zahnrads im Wesentlichen rotationssymmetrische Gestalt aufweist, welche sich im Wesentlichen über 360 Grad erstreckt. Eine im Wesentlichen über 360 Grad umlaufend erstreckende Gestalt ist vorteilhaft technisch einfach und kostengünstig herstellbar, insbesondere in Form einer Nut. Eine Nut ist beispielsweise durch ein spanendes Verfahren herstellbar. Je nach Herstellverfahren einer Nut ergibt sich eine Feingeometrie der Nut, beispielsweise eine Geometrie von Abrundungen von Kanten am Außendurchmesser des Aussparungsbereichs. Unter einer im Wesentlichen sich über 360 Grad umlaufend erstreckenden Gestalt soll im Rahmen der Erfindung auch eine Gestalt einer Aussparung mit eingeschlossen sein, welche beispielsweise aufgrund eines Stegs oder anderweitiger Einbauten eine nicht über die vollständigen 360 Grad umlaufende Gestalt aufweist und/oder beispielsweise aufgrund von Bohrungen, beispielsweise zur Darstellung einer Ölführung eine nicht vollständig rotationssymmetrische Gestalt aufweist.
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In einer Ausgestaltung der sich über 360 Grad umlaufend erstreckenden Gestalt des im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereichs weist der im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreie Aussparungsbereich einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt auf. Unter einem trapezförmigen Querschnitt wird im Rahmen der Erfindung ein Querschnitt des Aussparungsbereichs verstanden, bei welchem sich eine axiale Breite des Aussparungsbereichs am Außenradius des Zahnradnabeninnenbereichs bis hin zum Innenradius der Zahnradnabe erhöht. Mit einem trapezförmigen Querschnitt des Aussparungsbereichs ist vorteilhaft ein Aussparungsbereich und damit eine Masseneinsparung des Zahnrads vergrößerbar, ohne eine ertragbare Bauteilbeanspruchung der Zahnradnabe zu beeinträchtigen. Unter einem im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt soll im Rahmen der Erfindung insbesondere ein trapezförmiger Querschnitt mit eingeschlossen sein, welcher abgerundete Ecken zur Herabsetzung einer Kerbwirkung des Aussparungsbereichs aufweist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung bewirkt der im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreie Aussparungsbereich eine Masseneinsparung der Zahnradmasse von mindestens 10 Prozent der Zahnradmasse.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Zahnrad des Zahnräderwechselgetriebes als Losrad ausgebildet und über Lagerstellen, welche auf der Zahnradnabeninnenseite des ersten und dritten im Wesentlichen aussparungsfreien Zahnradnabeninnenbereich angeordnet sind, auf der Welle gelagert. Vorteilhaft dient insbesondere bei einem Einsatz von reibungsreduzierten Losradlagerungen, wie mehrreihigen Wälzkörperlagern, insbesondere Nadellagern, nicht die komplette Zahnradnabeninnenfläche als Lauffläche für die Wälzkörper, sondern nur ein Teil der Zahnradnabeninnenfläche, wodurch die nicht als Lauffläche dienende Zahnradnabeninnenfläche zurückgenommen werden kann, ohne eine Lagerlauffläche einzuschränken. Zusätzlich ist durch den im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereich ein Ölreservoir zur Beölung der Lagervorrichtung und/oder der Verzahnung des Zahnrads bei Einsatz einer zusätzlichen Radialbohrung darstellbar.
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Es ist denkbar den im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereich auch an mit Gleitlagern auf der Welle gelagerten Losrädern, wie beispielsweise an Planetenrädern eines Planetengetriebes vorzunehmen. In einem Gleitlager werden die gegeneinander beweglichen Teile, die Zahnradnabeninnenseite und die Wellenoberfläche mehr oder weniger durch einen Schmierfilm, insbesondere einen flüssigen Schmierfilm, voneinander getrennt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Zahnrad des Zahnräderwechselgetriebes als Festrad ausgebildet und eine Kraftübertragung zwischen dem Zahnrad und der Welle erfolgt über kraftschlüssige Pressverbände zwischen der Zahnradnabeninnenseite des ersten und dritten im Wesentlichen aussparungsfreien Zahnradnabeninnenbereichs und der Welle. Insbesondere für Festräder, bei welchen nicht die vollständige Zahnradnabeninnenfläche für eine Kraftübertragung über einen Pressverband zwischen Zahnrad und Welle notwendig ist, ist vorteilhaft ein Vorsehen eines erfindungsgemäßen im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereichs möglich.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figur, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigt:
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1 Ein Ausschnitt aus einem Schnittbild eines Zahnräderwechselgetriebes mit einem auf einer Welle gelagerten Losrad und einem zahnradnaben materialfreien Aussparungsbereich zwischen zwei Lagerreihen eines Nadellagers auf der Zahnradnabeninnenseite entlang der Drehachse in schematischer Darstellung
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Gemäß 1 ist ein Losrad 4 mit einer Zahnradnabe 2 und einem Zahnkranz 3 eines Zahnräderwechselgetriebes 1 auf einer Welle 5 drehbar mittels zweier Nadellagerreihen 6 und 7 gelagert. Die Verzahnung des Zahnkranzes 3 weist Zähne mit einer Zahnhöhe 3a auf. Die Zahnradnabe 3 weist einen Zahnradnabenaussenbereich 2a und einen Zahnradnabeninnenbereich auf. Der Zahnradnabeninnenbereich weist in axialer Richtung mindestens in folgender Reihenfolge drei aneinander angrenzende Bereiche auf:
- – Einen ersten im Wesentlichen aussparungsfreien Zahnradnabeninnenbereich (2b),
- – einen zweiten im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereich (2c) und
- – einen dritten im Wesentlichen aussparungsfreien Zahnradnabeninnenbereich (2d).
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Durch die Verwendung einer mehrreihigen Nadellagerung mit den Nadellagerreihen 6 und 7 zur Lagerung des Losrads 4, welche Nadellagerreihen mit schmalen Laufbahnen in einem vergleichsweise großen Abstand aufweist, wird ein Teilbereich der Zahnradnabeninnenfläche 2m nicht mehr als Laufbahn für die Lagernadeln benötigt, so dass in diesem Teilbereich die Zahnradnabeninnenfläche 2h zurückgenommen werden kann, indem der Innenradius der Zahnradnabe 2k aufgeweitet wird, wodurch der im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreie Aussparungsbereich 2c entsteht. Der im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreie Aussparungsbereich 2c dient einer Masseneinsparung der Masse des Losrads 4 und damit einer Masseneinsparung des Zahnräderwechselgetriebes 1. Mit dem im Wesentlichen zahnradnabenmaterialfreie Aussparungsbereich 2c ist eine Masseneinsparung des Losrads um 15% darstellbar. Mit der Masseneinsparung des Losrads 4 und des Zahnräderwechselgetriebes 1 ist vorteilhaft eine Kraftstoffeinsparung des Kraftfahrzeugs bewirkbar. Eine Radiendifferenz 2g des Außenradius des Zahnradnabeninnenbereichs 2f und des Zahnradnabenaußenradius 2e ist gleich der Zahnhöhe 3a des Zahnkranzes 3. Die Gestalt des Querschnitts des zahnradnabenmaterialfreien Aussparungsbereichs 2c ist in erster Nahrung rechteckförmig, jedoch mit abgerundeten Ecken 2n. Die räumliche Gestalt des Aussparungsbereichs 2c ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine über 360 Grad umlaufende Nut. Eine Gestaltung eines Aussparungsbereich 2c als eine über 360 Grad umlaufende Nut ist vorteilhaft kostengünstig und technisch einfach herstellbar. Die abgerundeten Ecken 2n des Querschnitts des Aussparungsbereichs 2c und damit die über 360 Grad umlaufenden abgerundeten Kanten des Aussparungsbereichs dienen einer Herabsetzung einer Kerbwirkung des Aussparungsbereichs 2c auf die Zahnradnabe 2. Mit den abgerundeten Kanten des Aussparungsbereichs 2c geht einher, dass der Aussparungsbereich 2c nicht vollständig zahnradmaterialfrei ist, sondern dass radial ausserhalb der Rundungen Zahnradnabenmaterial vorhanden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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