DE102010011442B4

DE102010011442B4 - Getriebeanordnung

Info

Publication number: DE102010011442B4
Application number: DE201010011442
Authority: DE
Inventors: Jens Baumann; Vitali Voit
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2015-03-26
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: DE102010011442A1

Abstract

Getriebeanordnung mit wenigstens einem ersten Kegelrad (17) im Zahneingriff mit einem zweiten Kegelrad (18), wobei sich die Drehachsen (5a, 13a) der Kegelräder (17, 18) in einem Schnittpunkt (19) schneiden, der auf der Rotationsachse (4a) eines mit zwei Schräglagern um die Rotationsachse (4a) drehbar gelagerten Wellenelements (16) liegt, und wobei das erste Kegelrad (17) zwischen den Schräglagern auf dem Wellenelement (16) radial abgestützt ist und dabei die Rotationsachse (4a) des Wellenelements (16) und die Drehachse (5a) des ersten Kegelrads (17) aufeinander liegen, wobei eines der Schräglager ein Schrägkugellager (14) und das andere ein Schrägrollenlager ist, wobei das erste Kegelrad (17) in axialer Richtung von dem Schrägkugellager (14) aus betrachtet zwischen dem Schrägkugellager (14) und dem Schnittpunkt (19) radial abgestützt ist und wobei die Getriebeanordnung ein Differenzial (1) ist, in welchem das Wellenelement (16) ein Differenzialkorb (4) ist, das erste Kegelrad (17) auf dem Differenzialkorb (4) fest ist und eine Ritzelwelle (3) über das als Kegelritzel (13) ausgebildete zweite Kegelrad (18) mit dem als Tellerrad (5) ausgebildeten ersten Kegelrad (17) im Eingriff steht, wobei der Differenzialkorb (4) mittels der Schräglager in einem Gehäuse (2) des Differenzials (1) drehbar gelagert ist und das Gehäuse (2) einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als der Differenzialkorb (4), wobei das Schrägkugellager (14) derart angeordnet ist, dass die von der Ritzelwelle (3) über das zweite Kegelrad (18) auf das erste Kegelrad (17) übertragene Kraftkomponente axial in Richtung des Sitzes des Schrägkugellagers (14) gerichtet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Getriebeanordnung mit wenigstens einem ersten Kegelrad im Zahneingriff mit einem zweiten Kegelrad, wobei sich die Drehachsen der Kegelräder in einem Schnittpunkt schneiden, der auf der Rotationsachse eines mit zwei Schräglagern um die Rotationsachse drehbar gelagerten Wellenelements liegt, und wobei das erste Kegelrad zwischen den Schräglagern auf dem Wellenelement radial abgestützt ist und dabei die Rotationsachse des Wellenelements und die Drehachse aufeinander liegen.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Auswahl der Lagerung für Kegelräder ist es wichtig, die Größe und Richtung der Zahnkräfte und eventuelle aus äußeren Einflüssen resultierende Zusatzkräfte zu kennen. So treten an Kegelrädern auch axiale, also mit deren Rotationsachse gleichgerichtete, Schubkräfte auf.
Es ist deshalb üblich die Wellen, auf denen die Kegelräder sitzen, mit Schräglagern zu lagern. Schräglager sind Schrägrollen oder Schrägkugellager. In Schräglagern sind die Laufbahnen so angeordnet, dass die auf das Lager wirkenden Kräfte nicht wie bei Radiallagern in der Radialebene sondern an schräg zur Radialebene verlaufenden Drucklinien aufgenommen werden. Schräglager nehmen deshalb auch axiale Kräfte auf. Der Winkel, den die Drucklinien zwischen sich und der Rotationsachse des Lagers einschließen, ist ein spitzer Winkel und wird als Druckwinkel bezeichnet.
In Schrägkugellagern sind die Kugeln an Kontaktzonen mit Innen- und Außenlaufbahnen im Kontakt. Die Drucklinien der einzelnen Kugeln des Schrägkugellagers laufen mittig durch die Kontaktzonen der Kugeln und durchs Kugelzentrum und sind zur Rotationsachse des Schrägkugellagers geneigt. Sie schneiden dabei die Rotationsachse des Schrägkugellagers an einem gemeinsamen Schnittpunkt.
In den Kontaktzonen des Schrägkugellagers berühren sich die konvexen Konturen der Kugeln mit den konkaven Konturen der Laufbahnen im unbelasteten Zustand an einem Punkt. Der Fachmann spricht in diesem Fall auch von Punktkontakt. Die Kontaktlinien/Drucklinien einer Kugel verlaufen im unbelasteten Zustand durch die Punktkontakte der jeweiligen Kugel mit der Innen- und Außenlaufbahn und durch den Kugelmittelpunkt. Der Druckwinkel ist der Nenndruckwinkel. Bei Kugellagern ist der Radius der konkaven Konturen der Laufbahnen zumindest im unbelasteten Zustand größer als der entsprechende Radius der Kugel. Diese Verhältnisse werden als Schmiegung bezeichnet. Im belasteten Zustand gehen die Punktkontakte aufgrund der elastischen Verformungen der Kontaktpartner mit zunehmender Belastung in einen ellipsenförmigen Kontakt über, durch dessen Mitte die Kontaktlinien verlaufen. Die Kugel schmiegt sich aufgrund des größeren Radius der Laufbahn in diese Krümmung, so dass die Kraft im Laufbahnkontakt auf eine größere Fläche verteilt und die Flächenpressung nicht so hoch wird.
Schrägrollenlager sind Rollenlager mit zylindrischen oder kegelstumpfförmig ausgebildeten Rollen. Die Kontaktlinien der Rollen mit den Laufbahnen verlaufen im spitzen Winkel zur Rotationsachse geneigt. In den Kontaktzonen des Schrägrollenlager berühren sich die Konturen der Rollen mit denen der Laufbahnen im Linienkontakt. In Kegelrollenlagern schneiden sich die Drucklinien in einem Punkt, in der sogenannten Druckkegelspitze. Aufgrund des Linienkontakts weisen Kegelrollenlager zu Schrägkugellagern vergleichbarer Baugröße höhere Tragfähigkeiten auf.
Die Schräglager in der Schräglageranordnung müssen axial gegeneinander spielfrei vorgespannt sein. In Differenzialen sind die Differenzialkörbe in der Regel mittels Schräglageranordnungen gelagert, deren Schräglager in sogenannter X-Anordnung gegeneinander vorgespannt sind. In X-Anordnungen liegen die Schnittpunkte der Drucklinien mit der Rotationsachse axial zwischen den Lagerstellen der gegeneinander angestellten Schräglager.
Üblich ist es, derartige Schräglageranordnungen mit Kegelrollenlagern auszuführen. Kegelrollenlager weisen hohe Tragfähigkeiten auf. Der Nachteil derartiger Lageranordnungen liegt darin, dass diese aufgrund des Linienkontakts in der vorgespannten Anordnung hohe innere Reibungen aufweisen, durch die effektiv Antriebsleistung verloren geht. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass Linienkontakt auch bei Spiel in der Lagerstelle, wenn auch nur anteilig, so jedoch zufrieden stellend erhalten bleibt.
Als Alternativen werden deshalb geringer belastete Differenzialkörbe mittels Schrägkugellageranordnungen in Differenzialen gelagert. Eine Derartige Anordnungen sind in DE 10 2004 057 339 A1 und in DE 103 38 635 A1 beschrieben. Der Vorteil liegt darin, dass in diesen vorgespannten Lageranordnungen weniger innere Reibung auftritt und dass diese in der Regel kostengünstiger sind als bauraumvergleichbare Kegelrollenlager. Der Nachteil dieser Anordnungen liegt darin, dass Spiel in der Lagerung mit dem Verlust der Tragfähigkeit einhergeht.
In JP 2004 197819 A ist ein Differenzial mit wenigstens einem ersten Kegelrad und mit einem zweiten Kegelrad offenbart. Die Drehachsen der Kegelräder schneiden sich in einem Schnittpunkt, der auf der Rotationsachse des Differenzialkorbs liegt. Das auf dem Differenzialkorb sitzende erste Kegelrad ist zwischen den Schräglager konzentrisch mit der Drehachse des Differenzialkorbs angeordnet und steht mit einem Ritzel einer Ritzelwelle im Eingriff. Das eine Schräglager ist ein Schrägkugellager und das andere ein Kegelrollenlager. Das Kegelrollenlager ist an der Seite des ersten Kegelrads bzw. Differenzialkorbs angeordnet, an der die höchsten Belastungen aus dem Eingriff des Ritzels mit dem ersten Kegelrad auftreten.
Die zuvor beschriebenen Anordnungen sind hinsichtlich ihrer Funktion und des Wirkungsgrads zufriedenstellend, wenn die Differenzialkörbe aus Stahl in Gehäusen aus Stahlguss gelagert werden, weil die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Gehäuses und des Differenzialkorbes gleich sind. Moderne Differenziale werden jedoch oft in Gehäusen aus Leichtmetalllegierungen, wie in Gehäusen aus Aluminiumguss eingesetzt. In diesem Fall führen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Spiel in den Schräglageranordnungen und damit zum Nachlassen und sogar bis zum Verlust der axialen Vorspannung. In Schräglageranordnungen heißt das, dass die Kugeln axial aus der eigentlichen Kugellaufbahn und damit aus der Schmiegung heraus wandern. Der daraus auch unter Last im Wesentlichen punktförmige Kontakt der Kugeln mit den Laufbahnen führt zu unzulässig hohen Pressungen bzw. zu Schlupf. Deshalb werden in Differenzialen mit Gehäusen aus Leichtmetalllegierungen verstärkt wieder Kegelrollenlager eingesetzt, mit denen auch bei Spiel, wenn auch eine verminderte, jedoch ausreichende Tragfähigkeit gewährleistet werden kann.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, Getriebeanordnungen mit Schräglageranordnungen zur Lagerung von Kegelrädern in Gehäusen aus Leichtmetall zu vereinfachen.
Diese Aufgabe ist durch eine Getriebeanordnung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Getriebeanordnung weist wenigstens ein erstes Kegelrad im Zahneingriff mit einem zweiten Kegelrad auf. Die Drehachsen der beiden Kegelräder schneiden sich in einem Schnittpunkt, der auf der Rotationsachse eines mit zwei Schräglagern um die Rotationsachse drehbar gelagerten Wellenelements liegt. Dabei ist das erste Kegelrad zwischen den Schräglagern auf dem Wellenelement radial abgestützt. Die Rotationsachse des Wellenelements und die Drehachse des ersten Kegelrads liegen aufeinander. Eines der Schräglager ist ein Schrägkugellager und das andere ist ein Schrägrollenlager. Das erste Kegelrad ist in axialer Richtung von dem Schrägkugellager aus betrachtet zwischen dem Schrägkugellager und dem Schnittpunkt radial abgestützt. Die Getriebeanordnung ist ein Differenzial, in welchem das Wellenelement ein Differenzialkorb ist. Das erste Kegelrad ist auf dem Differenzialkorb fest und eine Ritzelwelle steht über das als Kegelritzel ausgebildete zweite Kegelrad mit dem als Tellerrad ausgebildeten ersten Kegelrad im Eingriff. Der Differenzialkorb ist mittels der Schräglager in einem Gehäuse des Differenzials drehbar gelagert. Das Gehäuse weist einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als der Differenzialkorb. Das Schrägkugellager ist derart angeordnet, dass die von der Ritzelwelle über das zweite Kegelrad auf das erste Kegelrad übertragene Kraftkomponente axial in Richtung des Sitzes des Schrägkugellagers gerichtet ist.
Aus dieser Anordnung ergibt sich, dass auf dieses Kegelrad wirkende axiale Kräfte axial dahin wirken, wo das Schrägkugellager sitzt. Das Schrägrollenlager, das vorzugsweise ein Kegelrollenlager ist, sitzt dann axial von dem Schrägkugellager aus gesehen vorzugsweise hinter dem Schnittpunkt der Drehachsen bzw. Mantellinien der miteinander kämmenden Kegelradverzahnungen.
Durch eine derartige Anordnung ist der Einsatz von Schrägkugellagern in Differenzialen mit Gehäusen aus Leichtmetall möglich. Die Schräglager sind vorzugsweise in X-Anordnung gegeneinander angestellt. Die innere Reibung ist Vergleich zu Schräglageranordnungen mit gegeneinander vorgespannten Kegelrollenlagern geringer, da eines der Schräglager ein Schrägkugellager und nur eines ein Kegelrollenlager ist.
Nimmt das Spiel in der Schräglageranordnung zu, weil sich das Gehäuse aus Leichtmetall gegenüber den Stahlteilen stärker dehnt, bleibt die Tragzahl des Schrägkugellagers im Gegensatz zu bisherigen bekannten Anordnungen erhalten. Verluste aufgrund nachlassender Tragfähigkeit des Schrägkugellagers sind nicht zu befürchten, da das Schrägkugellager aufgrund der axialen auf die Verzahnung wirkenden und axial in Richtung des Sitzes des Schrägkugellagers gerichteten Komponente dauerhaft vorgespannt ist. Die Auswirkungen des Spiels an der anderen Lagerstelle sind im Kegelrollenlager nicht so hoch, da Linienkontakt erhalten bleibt. Alternativ kann die Schräglageranordnung mit einem Thermokompensationselement versehen sein, durch dass die Spiele aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungskoeffizienten ausgeglichen werden können.
Das Wellenelement ist eine beliebige Welle, beispielsweise eine Ritzelwelle. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Getriebeanordnung ein Differenzial ist. Das Wellenelement ist ein Differenzialkorb, auf dem das erste Kegelrad ein Tellerrad ist, welches auf dem Differenzialkorb fest ist, Der Differenzialkorb ist mittels der Schräglager in einem Gehäuse des Differenzials drehbar gelagert.
Beschreibung der Zeichnung
Die einzige 1 zeigt ein Differenzial 1 mit einem Gehäuse 2, einer Ritzelwelle 3 und mit einem Differenzialkorb 4. Auf dem Differenzialkorb 4 ist ein Tellerrad 5 befestigt. In dem Differenzialkorb 4 sind auf einem Bolzen 6 zwei Ausgleichsräder 7 und 8 drehbar gelagert. Die Ausgleichsräder 7 und 8 stehen im Eingriff mit Abtriebsrädern 9 und 10.
Das Gehäuse 2 ist aus Aluminiumguss. Die Ritzelwelle 3 ist mit zwei Tandemschrägkugellagern 11 und 12 in dem Gehäuse 2 drehbar gelagert und weist ein zweites Kegelrad 18 in Form eines Kegelritzels 13 auf. Das Kegelritzel 13 steht im Eingriff mit dem Tellerrad 5. Das Tellerrad 5 ist mit dem Differenzialkorb 4 verschraubt, kann aber alternativ auch anders befestigt sein.
Die Drehachse 13a des Kegelritzels 13 schneidet die Drehachse 5a des Tellerrads 5 rechtwinklig in dem Schnittpunkt 19. Die Rotationsachse 4a und die Drehachse 5a liegen achsparallel aufeinander.
Das Wellenelement 16 Form des Differenzialkorbs 4 ist mittels eines Schrägkugellagers 14 und eines Kegelrollenlagers 15 in dem Gehäuse 2 gelagert. Das Schrägkugellager 14 und das Kegelrollenlager 15 sind in X-Anordnung gegeneinander angestellt. Das erste Kegelrad 17 in Form des Tellerrads 5 sitzt in axialer Richtung von dem Schrägkugellager 14 aus betrachtet zwischen dem Schrägkugellager 14 und dem Schnittpunkt 19 radial abgestützt ist. Der Schnittpunkt 19 liegt axial zwischen den Schräglagern 14 und 15 auf der Rotationsachse 4a.
Bezugszeichenliste

1: Differenzial
2: Gehäuse
3: Ritzelwelle
4: Differenzialkorb
4a: Rotationsachse
5: Tellerrad
5a: Drehachse
6: Bolzen
7: Ausgleichsrad
8: Ausgleichsrad
9: Abtriebsrad
10: Abtriebsrad
11: Tandemschrägkugellager
12: Tandemschrägkugellager
13: Kegelritzel
13a: Drehachse
14: Schrägkugellager
15: Kegelrollenlager
16: Wellenelement
17: erstes Kegelrad
18: zweites Kegelrad
19: Schnittpunkt

Claims

Getriebeanordnung mit wenigstens einem ersten Kegelrad (17) im Zahneingriff mit einem zweiten Kegelrad (18), wobei sich die Drehachsen (5a, 13a) der Kegelräder (17, 18) in einem Schnittpunkt (19) schneiden, der auf der Rotationsachse (4a) eines mit zwei Schräglagern um die Rotationsachse (4a) drehbar gelagerten Wellenelements (16) liegt, und wobei das erste Kegelrad (17) zwischen den Schräglagern auf dem Wellenelement (16) radial abgestützt ist und dabei die Rotationsachse (4a) des Wellenelements (16) und die Drehachse (5a) des ersten Kegelrads (17) aufeinander liegen, wobei eines der Schräglager ein Schrägkugellager (14) und das andere ein Schrägrollenlager ist, wobei das erste Kegelrad (17) in axialer Richtung von dem Schrägkugellager (14) aus betrachtet zwischen dem Schrägkugellager (14) und dem Schnittpunkt (19) radial abgestützt ist und wobei die Getriebeanordnung ein Differenzial (1) ist, in welchem das Wellenelement (16) ein Differenzialkorb (4) ist, das erste Kegelrad (17) auf dem Differenzialkorb (4) fest ist und eine Ritzelwelle (3) über das als Kegelritzel (13) ausgebildete zweite Kegelrad (18) mit dem als Tellerrad (5) ausgebildeten ersten Kegelrad (17) im Eingriff steht, wobei der Differenzialkorb (4) mittels der Schräglager in einem Gehäuse (2) des Differenzials (1) drehbar gelagert ist und das Gehäuse (2) einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als der Differenzialkorb (4), wobei das Schrägkugellager (14) derart angeordnet ist, dass die von der Ritzelwelle (3) über das zweite Kegelrad (18) auf das erste Kegelrad (17) übertragene Kraftkomponente axial in Richtung des Sitzes des Schrägkugellagers (14) gerichtet ist.
Getriebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittpunkt (19) axial zwischen den Schräglagern auf der Rotationsachse (4a) liegt.
Getriebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrägrollenlager und das Schrägkugellager (14) in X-Anordnung zueinander angeordnet sind.
Getriebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (13a) des Kegelritzels (13) rechtwinklig zur Drehachse (5a) des Tellerrads (5) gerichtet ist.