DE102007018929A1 - Device for compensation of thermally induced relative axial displacements - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation von thermisch bedingten axialen Relativverschiebungen zwischen zwei Bauteilen mit zwei Ausgleichsteilen (12, 18), die über kooperierende Wirkflächen (15, 40) eine thermisch bedingte relative radiale Bewegung der Wirkflächen (15, 40) in eine axiale temperaturkompensierende Bewegung zumindest eines Ausgleichsteils (18) umsetzen. Um der Vorrichtung bei sehr geringem axialen Bauraumbedarf mit einfachen Mitteln ein vergleichsweise großes thermisches Kompensationsvermögen zu verleihen, ist ein Ausgleichsteil (18) mit einem Antriebselement (22), das einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Ausgleichsteil (18) aufweist, derart gekoppelt, dass das Antriebselement (22) seine thermisch bedingten Geometrieänderungen dem Ausgleichsteil unter Verstärkung von dessen radialer Bewegung aufprägt.The invention relates to a device for compensating thermally induced relative axial displacements between two components with two compensation parts (12, 18), the cooperating active surfaces (15, 40) a thermally induced relative radial movement of the active surfaces (15, 40) in an axial temperature compensating Implement movement of at least one compensating part (18). In order to provide the device with a very small axial space requirement with simple means a comparatively large thermal compensation capability, a compensation member (18) with a drive element (22) having a higher coefficient of thermal expansion than the compensation member (18), coupled such that the drive element (22) imposes its thermally induced geometry changes on the balancing member, amplifying its radial movement.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation von thermisch bedingten axialen Relativverschiebungen zwischen zwei Bauteilen mit zwei Ausgleichsteilen, die über kooperierende Wirkflächen eine thermisch bedingte relative radiale Bewegung der Wirkflächen in eine axiale temperaturkompensierende Bewegung zumindest eines Ausgleichsteils umsetzen.The The invention relates to a device for compensation of thermal conditional relative axial displacements between two components with two compensation parts, which have cooperating effective surfaces a thermally induced relative radial movement of the active surfaces in an axial temperature compensating movement of at least one Convert balancing piece.
Bei Vorrichtungen oder Maschinen, deren einzelne Bauteile aus Werkstoffen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung (unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten) bestehen, tritt bei sich ändernden Betriebstemperaturen eine unterschiedliche relative Längenänderung der Bauteile auf. Diese Erscheinung ist insbesondere bei schnelllaufenden Maschinen oder Anordnungen, bei denen eine präzise Lagerung erforderlich ist – wie beispielsweise Kraftfahrzeugdifferentialen oder Verteilergetrieben – unerwünscht oder gar nicht tolerierbar. So ist bei einem Kraftfahrzeuggetriebe in der Regel das Getriebegehäuse im Aluminiumdruckguss hergestellt und die Getriebewellen aus Stahl gefertigt und mittels angestellter Kegelrollenlager gelagert. Hier macht sich die etwa doppelt so starke Wärmeausdehnung des Aluminiumgehäuses im Vergleich zu den Stahlwellen signifikant bemerkbar und verändert die eingestellte Vorspannung bzw. das eingestellte Spiel der Kegelrollenlagerung. Dies führt zu einer erheblich verringerten Lagerlebensdauer, ungünstigstenfalls zu einem axialen Wellenschlag und zu nicht idealem Zahneingriff mit entsprechender Geräuschbildung.at Devices or machines whose individual components are made of materials with different thermal expansion (different Temperature coefficients), occurs at changing operating temperatures a different relative change in length of the components. This phenomenon is especially at high-speed Machines or arrangements requiring precise storage is required - such as motor vehicle differentials or transfer cases - undesirable or even not tolerable. So is in a motor vehicle transmission in the Usually the gearbox manufactured in die-cast aluminum and the transmission shafts made of steel and by means of employees Tapered roller bearings stored. This is about twice as strong Thermal expansion of the aluminum housing in comparison significantly noticeable and changed to the steel shafts the set preload or the set clearance of the taper roller bearing. This leads to a significantly reduced bearing life, worst case to an axial wave and to not ideal tooth engagement with appropriate noise.
Zur
Kompensation dieser Effekte sind Vorrichtungen vorgeschlagen worden,
bei denen sich der Außenring des Kegelrollenlagers über
einen Wärmedehnungsausgleichsring an dem Maschinen- oder
Getriebegehäuse abstützt (
Da
die damit erreichbaren axialen Ausgleichslängen verhältnismäßig
gering sind, schlägt die
Einen
anderen Ansatz verfolgt die eingangs genannte gattungsgemäße
und aus der
Diese
Anordnung ist zwar verhältnismäßig robust
und dauerfest, da im Gegensatz zu den vorgenannten Vorrichtungen
Ausgleichsteile aus Metall Verwendung finden können. Allerdings
lässt sich mit dieser bekannten Vorrichtung bei begrenztem
axialem Bauraum nur eine vergleichsweise geringe temperaturkompensierende
Axialbewegung des Ausgleichsteils realisieren. Deshalb wird in der
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Vorrichtung zur Kompensation von thermisch bedingten axialen Relativverschiebungen zwischen zwei Bauteilen, die bei sehr geringem axialen Bauraumbedarf mit einfachen Mitteln vergleichsweise große thermisch bedingte relative Längenänderungen zwischen zwei Bauteilen kompensiert.In front This is an object of the present invention in the provision of a device for compensation of thermal conditional relative axial displacements between two components, the with very small axial space requirement with simple means comparatively large thermally induced relative changes in length compensated between two components.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.These The object is achieved by a device having the features of patent claim 1.
Demgemäß ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mindestens ein Ausgleichsteil mit einem Antriebselement versehen, das einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Ausgleichsteil aufweist. Das Antriebselement fungiert dabei quasi als Verstärkungselement und verstärkt die radiale Bewegung – d. h. die Ausdehnung bzw. Kontraktion des Ausgleichsteils in radialer Richtung – das Ausgleichsteils über die ohnehin durch das thermische und temperaturkoeffizient-gemäße Verhalten vorhandene Bewegung des Ausgleichsteils hinaus. Wenn beispielsweise das Ausgleichsteil als Stahl- oder A luminiumring ausgebildet ist, bewirkt die mechanische Kopplung mit dem Antriebselement bei Temperaturänderung eine zusätzliche Radialbewegungskomponente, die allein auf der Dehnung/Kontraktion des Antriebselements beruht und eine elastische radiale Auffederung des Ausgleichsteils und damit seiner Wirkfläche bewirkt.Accordingly, in the device according to the invention, at least one compensation part is provided with a drive element which has a higher coefficient of thermal expansion than the compensation part. The drive element acts as a kind of reinforcing element and amplifies the radial movement - ie the expansion or contraction of the compensating part in the radial direction - the compensation part on the existing anyway by the thermal and temperature coefficient-appropriate behavior movement of the compensating part addition. For example, if the compensation part as steel or A lu formed miniumring, causes the mechanical coupling with the drive element with temperature change an additional radial movement component, which is based solely on the expansion / contraction of the drive element and causes an elastic radial springing of the compensating part and thus its active surface.
Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit sehr einfachen und wenigen zusätzlichen Bauelementen eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich aufwandsärmere Kompensation auch vergleichsweise großer relativer Längenänderungen zwischen Bauteilen realisiert ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass diese Eigenschaften auch bei hohen Betriebsbelastungen langzeitstabil gewährleistet sind, weil die mechanisch belasteten Teile (Ausgleichsteile) in ihrer Materialwahl unabhängig von dem im Wesentlichen für die Kompensationsbewegung verantwortlichen Antriebselement optimiert werden können. Die mechanisch hoch belasteten Ausgleichsteile können also aus preiswerten und robusten Werkstoffen wie z. B. Stahl bestehen, während das Antriebselement aus einem Material mit einem vielfach höheren Temperaturkoeffizienten hergestellt ist.One first advantage of the invention is that with very simple and a few additional components one opposite the state of the art substantially less expensive compensation also comparatively large relative changes in length between Components is realized. Another advantage of the invention is in that these properties even at high operating loads long-term stability are guaranteed, because the mechanical loaded parts (balancing parts) in their choice of materials independently essentially responsible for the compensatory movement Drive element can be optimized. The mechanical Highly loaded balancing parts can therefore be made from inexpensive and robust materials such. B. steel, while the drive element of a material with a much higher Temperature coefficient is produced.
Um
eine noch größere Materialdehnung bzw. Kontraktion
im Wesentlichen in radialer Richtung des Ausgleichsteils zu ermöglichen,
sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das
Ausgleichsteil an seinem Umfang eine Trennstelle aufweist, die eine
erhöhte radiale mechanische Auffederungs- bzw. Kontraktionsfähigkeit
bewirkt. Damit kann das Ausgleichsteil um Größenordnungen
größere Radialdehnungen erfahren als das aus der
eingangs erwähnten
Bevorzugt kann die Trennstelle von teleskopierenden Enden des Ausgleichsteils gebildet sein. Damit ist unabhängig vom Dehnungs- bzw. Kontraktionszustand mit besonders einfachen Mitteln gewährleistet, dass das Ausgleichsteil stets eine nach außen geschlossene Gestalt aufweist.Prefers can the separation point of telescoping ends of the compensating part be formed. This is independent of the strain or Ensures contraction state with particularly simple means that the compensation part always closed to the outside Has shape.
Im Hinblick auf die Herstellungskosten und Herstellungstechnik bevorzugt ist eine Ausgestaltung der Erfindung, wonach die Trennstelle von einem Schlitz gebildet ist. Im einfachsten Fall kann eine axiale Materialausnehmung vorgesehen sein, so dass sich das Ausgleichsteil mechanisch federnd radial unter Vergrößerung des Schlitzes erweitern kann und umgekehrt unter Verminderung des Schlitzes radial kompressierbar ist. Diese Ausgestaltung hat bei einem aus elastischem Material bestehenden Ausgleichsteil den weiteren Vorteil, dass dieses mit radialer Vorspannung – z. B. in einer Gehäusebohrung – montiert werden kann.in the In view of the manufacturing costs and manufacturing technology preferred is an embodiment of the invention, according to which the separation point of a slot is formed. In the simplest case, an axial Material recess be provided, so that the compensation part mechanically resilient radially under magnification of the Slot, and vice versa, by diminishing the slot is radially compressible. This embodiment has an off elastic material existing compensating part the further advantage that this with radial bias -. B. in a housing bore - mounted can be.
Eine besonders einfache Ausführungsform des Antriebselementes sieht vor, dass dieses ringförmig gestaltet ist. Das Antriebselement kann insbesondere bei ebenfalls ringförmig gestalteten Ausgleichsteilen von diesem aufgenommen sein. Eine diesbezüglich besonders vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass das Ausgleichsteil hohl ausgebildet und mit einem das Antriebselement bildenden Material befüllt ist. Besonders bevorzugt kann dabei das vorteilhafter Weise hohlringförmig ausgebildete Ausgleichsteil durch entsprechendes Falzen, beispielsweise eines Stahlbandes, hergestellt und mit dem Material des Antriebselementes befüllt sein. Fertigungstechnisch bevorzugt kann das Antriebselement auch erst durch Verfestigung oder Verbindung, beispielsweise Polymerisation, des in den Hohlraum des Ausgleichsteils eingebrachten Werkstoffs entstehen.A particularly simple embodiment of the drive element provides that this is designed ring-shaped. The drive element can in particular also in a ring-shaped Balancing parts of this be included. One in this regard Particularly advantageous variant of the invention provides that the Compensation part formed hollow and with a drive element forming material is filled. Particularly preferred may while the advantageously hollow ring-shaped compensating part by appropriate folding, for example a steel strip produced and be filled with the material of the drive element. manufacturing technology Preferably, the drive element only by solidification or compound, for example polymerization, in the cavity arise the compensating part introduced material.
Nach einer mechanisch besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Antriebselement axial geschlitzt ist und sich mit seinen Schlitzgrenzflächen an einem Gegenstück abstützt. Das Gegenstück kann dabei bevorzugt als integraler Bestandteil eines Halteelements ausgebildet sein, an dem das Antriebselement anliegt. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hält das Halteelement die Ausgleichsteile unter Bildung einer Baueinheit zusammen.To a mechanically particularly advantageous embodiment of the invention is provided that the drive element is axially slotted and is supported with its slot interfaces on a counterpart. The counterpart may be preferred as an integral part a holding element may be formed, on which the drive element is applied. According to a further advantageous embodiment of the invention holds the holding element, the balancing parts under education a structural unit together.
Das Gegenstück kann nach einer bevorzugten Variante der Erfindung ein Kolben sein, der in dem Ausgleichsteil gelagert ist.The Counterpart may according to a preferred variant of the invention be a piston which is mounted in the compensation part.
Im Hinblick auf die bereits erwähnte entkoppelte Optimierungsmöglichkeit der Materialien für die Ausgleichsteile einerseits und das Antriebselement andererseits sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindungen vor, dass das Antriebselement aus Kunststoff, z. B. aus VITON®, besteht.With regard to the already mentioned decoupled optimization possibility of the materials for the balancing parts on the one hand and the drive element on the other hand provides an advantageous embodiment of the inventions that the drive element made of plastic, z. B. from VITON ® exists.
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich auch oder ergänzend aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.Further Advantages and aspects of the invention are also or supplementary from the following description of the invention with reference on the drawing.
Darin zeigen:In this demonstrate:
Die in den Figuren gezeigten Vorrichtungen dienen beispielsweise zur Gewährleistung bzw. Aufrechterhaltung eines eingestellten Lagerspiels oder einer Lagervorspannung für ein Kegelrollenlager, insbesondere in einem Differential oder einem Getriebe eines Kraftfahrzeugs.The in the figures shown devices are used for example for Guarantee or maintain a set Bearing clearance or bearing preload for a tapered roller bearing, in particular in a differential or a transmission of a motor vehicle.
Wie
Ein
Lagerkäfig
Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden
relative Lageänderungen in axialer Richtung A zwischen
dem Gehäuse
Die
Vorrichtung umfasst ein erstes Ausgleichsteil
Das
Material
Der
Schlitz
Details
dieser Anordnung werden aus
In
der Explosionsdarstellung der
Bei
einer Ausdehnung des Antriebselements
Zu
Verdeutlichung sind in
Dabei bedeuten:
- H:
- Ausgangslänge der Vorrichtung
- Dm0:
- Wirkdurchmesser des
Ausgleichsteils
18 bzw. des Antriebselementes22a - α:
- Temperaturkoeffizient
des Materials
20 - ΔT:
- Temperaturdifferenz zwischen dem Ausgangszustand und dem Kom pensationszustand
- δ:
- Halber Winkel des
Konuskegels der Wirkfläche
15 bzw.40
- H:
- Initial length of the device
- D m0 :
- Effective diameter of the compensating part
18 or of the drive element22a - α:
- Temperature coefficient of the material
20 - .DELTA.T:
- Temperature difference between the initial state and the Kom pensationszustand
- δ:
- Half angle of the conical cone of the effective surface
15 respectively.40
Die dabei kompensierbare Axialverschiebung ΔH bemisst sich bei beispielhaft gewählten, üblichen Lagergeometrien und einem Antriebselement aus VITON® mit
- Dm0 = 55 mm
- δ = 45°
- αVITON = 15·10–5·K–1
- ΔT = 100°C zu
- ΔH = 1,24 mm.
- D m0 = 55 mm
- δ = 45 °
- α VITON = 15 × 10 -5 × K -1
- ΔT = 100 ° C too
- ΔH = 1.24 mm.
Es ist damit ersichtlich, dass bei äußerst geringem axialem Bauraumbedarf mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung außerordentlich hohe relative axiale Längenverschiebungen kompensiert werden können. Dabei besteht ein wesentlicher Vorteil darin, dass das Antriebselement aus einem im Hinblick auf den Temperaturkoeffizienten optimierten Material hergestellt ist, das gegenüber Stahl eine 30 bis 45-fache höhere Wärmeausdehnung aufweist. Die im Betrieb mechanisch belasteten Ausgleichsteile sind dagegen aus einem fertigungstechnisch und von der Materialfestigkeit her optimierten Material (z. B. Stahl) hergestellt.It can be seen that at extremely low axial space requirement with the invention Device exceptionally high relative axial length displacements can be compensated. There is one essential Advantage in that the drive element of a with respect to the Temperature coefficient optimized material is made that compared to steel 30 to 45 times higher thermal expansion having. The mechanically loaded during operation compensation parts are on the other hand from a manufacturing technology and from the material strength optimized material (eg steel).
Hinsichtlich des Gleitwinkels δ bzw. des Konuskegelwinkels ist darauf zu achten, dass keine Selbsthemmung eintritt. Bei einem angenommenen Reibwert von μ = 0,1 ergibt sich mit der Bedingung tan δ > μ ein Grenzwert δ > 4,7°.Regarding the sliding angle δ and the cone cone angle is on it to ensure that no self-locking occurs. For an assumed coefficient of friction of μ = 0.1, the condition tan δ> μ results in a limit δ> 4.7 °.
Auch dadurch ist ersichtlich, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine sehr axialbauraumsparende Temperaturkompensation möglich ist.Also It can be seen that with the inventive Device a very space-saving temperature compensation is possible.
Die
Das
Ausgleichsteil
Der
Stahlkolben
- 11
- KegelrollenlagerTapered roller bearings
- 22
- Außenringouter ring
- 33
- Bohrungdrilling
- 44
- Aluminiumdruckguss-GehäuseAluminum die-cast housing
- 55
- Lagerkäfigbearing cage
- 66
- Kegelrollentapered rollers
- 77
- Lauffläche des Außenringstread of the outer ring
- 88th
- Lauffläche des Innenringstread of the inner ring
- 99
- LagerinnenringBearing inner ring
- 1010
- Ende der GetriebewelleThe End the transmission shaft
- 1111
- Getriebewellegear shaft
- 1212
- erstes Ausgleichsteilfirst compensating part
- 1414
- konische Bohrungconical drilling
- 1515
- Wirkflächeeffective area
- 1818
- zweites Ausgleichsteilsecond compensating part
- 1919
- umlaufender Hohlraumsurrounding cavity
- 2020
- KunststoffmaterialPlastic material
- 2121
- Ringring
- 2222
- Antriebselementdriving element
- 2424
- Ausnehmungrecess
- 2525
- Trennstelleseparation point
- 2626
- Kolbenpiston
- 2828
-
Innenkontur
des Ausgleichsteils
18 Inner contour of the compensation part18 - 30, 3130 31
-
offene
Enden des Ausgleichsteils
18 open ends of the compensating part18 - 3232
- Ausnehmung/SchlitzRecess / slot
- 35, 3635, 36
- SchlitzgrenzflächenSlot interfaces
- 37, 3837, 38
-
Stirnflächen
des Kolbens
26 End faces of the piston26 - 4040
- Wirkflächeeffective area
- 4848
- Ausgleichsteilcompensating part
- 4949
- Öffnungopening
- 5252
- Antriebselementdriving element
- 53, 5453 54
- Außenseiteoutside
- 5555
- Schlitz, AusnehmungSlot, recess
- 5858
- Ausgleichsteilcompensating part
- 5959
- Kolbenpiston
- 6060
- Schlitzslot
- 62, 6362 63
- SchlitzgrenzflächenSlot interfaces
- 6565
- Ausgleichsteilcompensating part
- 7070
- Eingriffintervention
- 7171
- Mantelflächelateral surface
- 7272
- Baueinheitunit
- FF
- Axialkraftaxial force
- AA
- axiale Richtungaxial direction
- UU
- Umfangsrichtungcircumferentially
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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