DE102007050201A1

DE102007050201A1 - Kompensationsvorrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter relativer axialer Lageänderungen zwischen zwei Bauteilen

Info

Publication number: DE102007050201A1
Application number: DE102007050201A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Biermann; Tomas Dr. Smetana
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-10-20
Filing date: 2007-10-20
Publication date: 2009-04-23
Also published as: WO2009049980A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kompensationsvorrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter relativer axialer Lageänderungen zwischen zwei Bauteilen (7, 9), welche ein erstes Ausgleichsteil (14) umfasst, das über eine konische Gleitfläche (18) in einer korrespondierenden Ausnehmung (20) eines zweiten Ausgleichsteils (15) eine axiale temperaturkompensierende Bewegung zumindest eines der Ausgleichsteile (15) bewirkt, wenn sich die Radialerstreckung wenigstens eines der Ausgleichsteile temperaturbedingt ändert. Um eine Kompensationsvorrichtung zu schaffen, deren axialer Bauraumbedarf minimiert ist und deren Kompensationsvermögen sowohl für Anwendungen bei Lagerkonfigurationen in O-Anordnung als auch in X-Anordnung optimiert ist, ist erfindungsgemäß das erste Ausgleichsteil (14) als Fixierungselement zur Verbindung mit einer Welle (7) ausgestaltet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Kompensationsvorrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter relativer axialer Lageänderungen zwischen zwei Bauteilen mit einem ersten Ausgleichsteil, das über eine konische Gleitfläche in einer korrespondierenden Ausnehmung eines zweiten Ausgleichsteils eine axiale temperaturkompensierende Bewegung zumindest eines der Ausgleichsteile bewirkt, wenn sich die Radialerstreckung wenigstens eines der Ausgleichsteile temperaturbedingt ändert.
Hintergrund der Erfindung
Die Kompensation von temperaturbedingten, unterschiedlichen Wärmedehnungen von Maschinenteilen ist besonders bei Kegelrollenlageranordnungen in Differentialen oder Schaltgetrieben, insbesondere von Kraftfahrzeugen, von Bedeutung. Ein klassisches Beispiel hierfür ist ein Hinterachsgetriebe eines Kraftfahrzeugs. Hierbei wird üblicherweise das Getriebegehäuse aus Leichtmetall, wie beispielsweise Aluminium, gefertigt. Mechanisch belastete Getriebe komponenten, wie beispielsweise die Antriebs- und Abtriebswellen, sind dagegen üblicherweise aus Stahl gefertigt. Stahl und Aluminium haben um etwa den Faktor zwei unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten mit der Folge, dass diese Maschinenteile bei steigenden oder sinkenden Temperaturen unterschiedliche relative Längenänderungen erfahren. Dies führt bei so genannten O-Anordnungen von Kegelrollenlagern bei Temperaturerhöhungen zu einer Erhöhung der Lagervorspannung, während die Lagervorspannung bei so genannter X-Anordnung bei Temperaturerhöhungen abnimmt. Dies hat erhebliche unerwünschte Sekundäreffekte – z. B. axialen Wellenschlag, einen nicht mehr idealen Zahneingriff der Getriebezahnräder mit daraus resultierender Geräuschbildung sowie bei manuellen Getrieben ein ungünstiges Schaltgefühl – zur Folge.
Vor diesem Hintergrund ist es z. B. aus dem US-Patent 5,028,152 und der WO 2006/014934 A1 bekannt, zum Ausgleich thermisch bedingter relativer axialer Lageänderungen zwischen zwei Bauteilen Ausgleichselemente aus Elastomeren in Form von Kunststoffringen vorzusehen, die eine etwa 10 bis 15-fache Wärmeausdehnung im Vergleich zum Stahl haben.
Die DE 42 21 802 A1 offenbart zur Steigerung der Kompensationswirkung eine serielle Anordnung zweier derartiger Kunststoffringe. Allerdings haben auf diesem Material basierende temperaturkompensierende Vorrichtungen den Nachteil, dass die Lagervorspannung und die Betriebsbelastung über dieses Material (Elastomer) übertragen werden müssen, das im Vergleich zu Stahl wesentlich geringere Festigkeitskennwerte hat und außerdem zum Schrumpfen und zur Relaxation neigt. Deshalb können mit diesen bekannten Vorrichtungen nur vergleichsweise geringe axiale Kompensationskräfte erzeugt bzw. übertragen werden. Zudem sind die temperaturkompensierenden Fähigkeiten dieser bekannten Vorrichtungen nicht langzeitstabil.
Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 41 18 933 A1 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, die aus mindestens zwei Ausgleichsteilen besteht, von denen das erste mit einer konischen Gleitfläche in einer entspre chenden Bohrung des zweiten Ausgleichsteils eingeführt ist. Das erste Ausgleichsteil hat einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizient als das zweite Ausgleichsteil. Mit steigender Temperatur und dadurch bedingter radialer Ausdehnung des ersten Ausgleichsteils erzeugen die kooperierenden konischen Gleitflächen der beiden Ausgleichsteile eine axiale Verstellung der Ausgleichsteile zueinander, wodurch unterschiedliche Wärmedehnungen an Maschinenteilen ausgeglichen werden können. Dabei lassen sich aber nur relativ geringe Kompensationswege realisieren und es ist auch nur eine Kompensation von X-Anordnungen möglich. Zudem benötigt diese Kompensationseinrichtung erheblichen axialen Bauraum.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend von den dargelegten Nachteilen der Lösungen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Kompensationsvorrichtung anzugeben, deren axialer Bauraumbedarf minimiert ist und deren Kompensationsvermögen sowohl für Anwendungen bei Lagerkonfigurationen in O-Anordnung als auch in X-Anordnung optimiert ist.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kompensationsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Demgemäß ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eines der Ausgleichsteile als Fixierungselement zur Verbindung mit einer Welle ausgestaltet. Unter dem Begriff "Welle" sind dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur momentenübertragende Bauteile, wie Wellen im klassischen Sinne, sondern auch Achsen oder ähnliche, als Träger von Lagerinnenringen dienende Bauteile zu verstehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch ein langzeitstabiles und keinen wesentlichen zusätzlichen Bauraumbedarf erforderndes Kompensati onsvermögen aus, weil das eine Ausgleichsteil quasi in Doppelfunktion neben der Fixierungsfunktion auf der Welle mit seiner integral ausgebildeten Gleitfläche auch den welleseitigen, wellenfesten Gegenpart zu dem anderen Ausgleichsteil bildet. Vorteilhafterweise ist damit bei der Montage der Welle ein Teil der Kompensationsvorrichtung mit montiert bzw. kann bereits vormontiert werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Ausgleichsteil eine Wellenmutter. Diese erlaubt eine besonders einfache Herstellung und Fixierung des wellenseitigen Ausgleichsteils.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das zweite Ausgleichsteil aus einem Material mit einem höheren Temperaturkoeffizienten als das erste Ausgleichsteil besteht. Beispielsweise kann das erste Ausgleichsteil aus Stahl bestehen, während das zweite Ausgleichsteil aus Aluminium besteht. Damit kann die Kompensationsvorrichtung im Gegensatz zu den bisher bekannt gewordenen Vorrichtungen in einfacher Weise auch bei Temperaturerhöhungen abnehmende Lagerabstände kompensieren, indem die Vorrichtung hier ein nachgebendes Verhalten aufweist. Damit eignet sich diese Vorrichtung besonders auch zu Kompensation von thermisch bedingten Lageänderungen in so genannten O-Anordnungen von Lagern, wie sie beispielsweise bei der Ritzelkopfwelle eines Hinterachsdiffentials üblich sind. Andernfalls würde nämlich unerwünschter Weise die Vorspannung mit zunehmender Temperatur ansteigen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dem entgegengewirkt, so dass auch bei Raumtemperatur eine ausreichend hohe Lagervorspannung voreingestellt werden kann.
Um stets definierte Kompensationsverhältnisse sicherzustellen und um auf zusätzliche Elemente zur Lagersicherung verzichten zu können, ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das erste Ausgleichsteil unter federnder Vorspannung in der Ausnahme gehalten ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich auch oder ergänzend aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Deren einzige Figur zeigt im Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Grundsätzlich ist die Erfindung für verschiedene Lagertypen und Lagerungsarten (Los/Fest-Lager bzw. Fest/Fest-Lager (z. B. Spindellager)) geeignet. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung sind Differentialgetriebe, Motorgetriebe oder Verteilergetriebe z. B. für Kraftfahrzeuge, bei denen üblicherweise ein Gehäuse aus Aluminiumdruckguss vorgesehen ist und die Abtriebswellen und Antriebswellen aus Stahl hergestellt und mittels Kegelrollenlagern in X-Anordnung oder O-Anordnung gelagert sind. Ein besonderer Aspekt der Erfindung ist dabei, dass übliche Lager eingesetzt werden können und die Temperaturkompensation durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erfolgt.
Die Figur zeigt einen Ausschnitt aus der Lagerung einer Ritzelkopfwelle eines Hinterachsdifferentials und zwar eines der beiden in so genannter O-Anordnung angeordneten Kegelrollenlager 1. Dieses Kegelrollenlager hat einen äußeren Lagerring 2 und einem inneren Lagerring 3, zwischen denen sich Kegelrollen 5 befinden. Das Kegelrollenlager 1 lagert ein Ende 6 der Ritzelkopfwelle 7, die aus Stahl besteht.
Der äußere Lagerring 2 ist in einer Bohrung 8 eines in einem Aluminiumgehäuse 9 aufgenommen und liegt einseitig an einem Bohrungsabsatz 10 fest. Der Lagerinnenring 3 ist auf einen korrespondierenden Wellenabsatz aufgebracht und dort beispielsweise mittels Presspassung fixiert.
Die temperaturkompensierende Vorrichtung 12 umfasst zwei Ausgleichsteile 14, 15, die im Ausführungsbeispiel als Ring oder Scheibe ausgestaltet sind.
Das Ausgleichsteil 14 (Innenring) ist als Wellenmutter aus Stahl ausgeführt. Das Ausgleichsteil 15 ist dagegen als Außenteil als Ring aus Aluminium ausgestaltet.
Das erste Ausgleichsteil 14 ist als Wellenmutter mit einem Innengewinde 16 ein Fixierungselement und ist über das kooperierende Außengewinde 17 der Welle 7 auf dieser fixiert. Das erste Ausgleichsteil hat eine konische Gleitfläche 18, die in eine korrespondierende Ausnehmung 20 mit einer entsprechenden konischen (Innen-)Gleitfläche 21 des zweiten Ausgleichsteils 15 eintaucht. Wenn sich die Radialerstreckung wenigstens eines der Ausgleichsteile temperaturbedingt ändert, bewirkt dies ein Abgleiten der kooperierenden Wirkflächen (konische Gleitflächen) 18, 20, die in ihrem Kegelwinkel gleich ausgebildet sind, relativ zueinander und damit eine kompensierende Bewegung zumindest eines der Ausgleichsteile.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Temperaturkoeffizient, also die Wärmedehnung bei Temperaturänderungen des aus Aluminium bestehenden Ausgleichsteils 15 deutlich höher als der Temperaturkoeffizient des aus Stahl bestehenden Ausgleichsteils 14. Bei Temperaturerhöhung dehnt sich deshalb das Ausgleichsteil 15 wesentlich stärker radial aus als das Ausgleichsteil 14. Dies hat zur Folge, dass das Ausgleichsteil über seine Gleitfläche 21 auf der Gleitfläche 18 des Ausgleichsteils 14 nach links abgeleitet und damit also eine Kompensationsbewegung in axialer Richtung A nach links ausführt. Dadurch erfährt die Wellenlagerung eine Verminderung der Lagervorspannung bei Temperaturerhöhung. Somit kann eine ausreichend hohe Lagervorspannung schon bei relativ niedrigen Temperaturen voreingestellt werden, ohne befürchten zu müssen, dass sich die bei Temperaturerhöhungen aufgrund der Lageranordnung und des unterschiedlichen Ausdehnungsverhaltens der Welle 7 einerseits und das Gehäuses 9 andererseits unzulässig hoch erhöht.
Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich mit einfachen Mitteln eine Minimierung thermisch verursachter Vorspannkraftänderungen im Lager realisieren. Dabei zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine besonders einfache Montage aus und erfordert nur preiswerte und einfach herstellbare Bauelemente. Dabei ist die Vorrichtung äußerst tolerant gegenüber Maßabweichungen bzw. Ungenauigkeiten in der Geometrie kooperierender Bauteile. Mit der Vorrichtung ist eine weitestgehende Spielfreiheit der Welle bei hoher Lagersteifigkeit realisiert, was zu einer Optimierung des Zahneingriffs bei Getrieben und damit insgesamt zu einer Erhöhung der jeweiligen Bauelementlebensdauer führt.

A: axiale Richtung
1: Kegelrollenlager
2: äußerer Lagerring
3: innerer Lagerring
5: Kegelrollen
6: Ende
7: Ritzelkopfwelle
8: Bohrung
9: Aluminiumgehäuse
10: Bohrungsabsatz
12: Vorrichtung
14: Ausgleichsteil
15: Ausgleichsteil
16: Innengewinde
17: Außengewinde
18: Gleitfläche
20: Ausnehmung
21: Gleitfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5028152 [0003]
- WO 2006/014934 A1 [0003]
- DE 4221802 A1 [0004]
- DE 4118933 A1 [0005]

Claims

Kompensationsvorrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter relativer axialer Lageänderungen zwischen zwei Bauteilen (7, 9) mit einem ersten Ausgleichsteil (14), das über eine konische Gleitfläche (18) in einer korrespondierenden Ausnehmung (20) eines zweiten Ausgleichsteils (15) eine axiale temperaturkompensierende Bewegung zumindest eines der Ausgleichsteile (15) bewirkt, wenn sich die Radialerstreckung wenigstens eines der Ausgleichsteile temperaturbedingt ändert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgleichsteil (14) als Fixierungselement zur Verbindung mit einer Welle (7) ausgestaltet ist.
Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ausgleichsteil (14) eine Wellenmutter ist.
Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ausgleichsteil (15) aus einem Material mit einem höheren Temperaturkoeffizienten als das erste Ausgleichsteil (14) besteht.
Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ausgleichsteil (14) unter federnder Vorspannung in der Ausnehmung (20) gehalten ist.