DE102010036255A1

DE102010036255A1 - Anordnung zur spielminimierten Lagerung einer Ausgangswelle eines Stirnraddifferenzials

Info

Publication number: DE102010036255A1
Application number: DE102010036255A
Authority: DE
Inventors: Thorsten BIERMANN
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-03-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur spielminimierten Lagerung einer Ausgangswelle (1) eines Stirnraddifferenzials in einem Differenzialgehäuse (2). Erfindungsgemäß ist zur Lagerung der Ausgangswelle (1) zumindest ein vorgespanntes Wälz- oder Gleitlager vorgesehen, wobei zur Vorspannung des Wälzlagers die Laufbahn der Wälzkörper an zumindest einem Laufbahnabschnitt (3, 4, 5, 6, 7, 8) elastisch geringfügig verengt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur spielminimierten Lagerung einer Ausgangswelle eines Stirnraddifferenzials in einem Differenzialgehäuse.
Hintergrund der Erfindung
Es entspricht dem Stand der Technik, in Differenzialgetrieben von Kraftfahrzeug-Achsantrieben ein sogenanntes „Anti-Wummer-Paket” einzusetzen, bei dem über zwei Konusringe und ein Federpaket das Radialspiel der Achswelle minimiert wird. Üblicherweise kommen diese „Anti-Wummer-Pakete” in Kegelraddifferenzialen zum Einsatz, um etwaige Geräuschentwicklungen, das sogenannte „Achswummern”, zu vermeiden.
Ein solches „Anti-Wummer-Paket” ist in DE 30 26 535 A1 beschrieben. Dort sind in einem Kegelrad-Ausgleichsgetriebe in Bohrungen des Ausgleichsgehäuses Abtriebswellen drehbar gelagert. Zur Beseitigung eines Radialspiels zwischen den Abtriebswellen und dem Ausgleichsgehäuse ist jeweils ein Ring mit einer konisch verlaufenden Mantelfläche an der Abtriebswelle angeordnet, der in eine mit einer entsprechenden Kontur versehenen Nut der Ausgleichsgehäusebohrung gedrückt wird.
Nachteilig bei dieser Ausgestaltung ist es jedoch, dass zwischen den Konen Reibkontakt herrscht, so dass in Abhängigkeit von der Vorspannung ein erhöhter Reibverlust und Verschleiß an den Konen auftritt. Zudem ist die AnOrdnung der Konen und der Feder aufwendig und kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, bei einer Anordnung der vorgenannten Art die Reibungsverluste und den Kostenaufwand zu minimieren.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass bei einem Stirnraddifferenzial die Ausgangswelle über zumindest ein spielminimiert vorgespanntes Wälz- oder Gleitlager im Differenzialgehäuse reibungsarm und kostengünstig gelagert wird. Stirnraddifferenziale zeichnen sich zudem gegenüber anderen Bauformen von Differenzialgetrieben, insbesondere gegenüber Kegelraddifferenzialen, bei gleichem übertragenem Drehmoment durch ein geringeres Gewicht und durch einen reduzierten axialen Bauraum, insbesondere des Differenzialgehäuses, aus.
Eine spielminimiert Vorspannung des Wälzlagers wird auf einfache Weise durch eine elastische Verengung der Laufbahn der Wälzkörper an zumindest einem Laufbahnabschnitt erreicht. An der Verengung werden die Wälzkörper elastisch verspannt und können zugleich umlaufen, wodurch das Lagerspiel minimiert wird.
Bevorzugt weist das Wälzlager eine Hülse zur Abstützung im Differenzialgehäuse auf, die zur Verengung der Laufbahn der Wälzkörper zumindest einen nach radial innen von der Kreisform geringfügig abweichenden, elastisch eingezogenen Laufbahnabschnitt ausbildet.
Zur Abstützung an der Ausgangswelle kann das Wälzlager einen Lagerinnenring aufweisen, der zur Verengung der Laufbahn der Wälzkörper zumindest einen nach radial außen von der Kreisform geringfügig abweichenden, elastisch gewölbten Laufbahnabschnitt ausbildet.
Es ist vorteilhaft, wenn die vorgenannte Hülse oder der vorgenannte Lagerinnenring dünnwandig ausgeführt ist. Hierdurch können die Bauteile auf einfache Weise in Blech elastisch ausgebildet werden und sind zugleich besonders einfach und kostengünstig in blechverarbeitenden Verfahren spanlos herstellbar.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Wälzlager als Nadellager ausgebildet und weist eine als Nadellagerhülse ausgeführte Hülse auf. Vorzugsweise ist die Nadellagerhülse mit einem dreiecksförmigen Querschnittsprofil mit drei gleichseitigen Umfangsabschnitten ausgebildet. Auf diese Weise wird das Wälzlager an den drei eckförmigen Abschnitten der Nadellagerhülse am Differenzialgehäuse abgestützt und zugleich an den drei dazwischen liegenden gleichseitigen Umfangsabschnitten durch die an der Laufbahn nach radial innen eingefederten Wälzkörper spielfrei vorgespannt.
Vorzugsweise ist der Lagerinnenring des Wälzlagers in dreiecksförmiger Querschnittsform mit drei gleichseitigen Umfangsabschnitten ausgeführt. Bei dieser Ausgestaltung wird das Wälzlager an den drei eckförmigen Abschnitten durch die an der Laufbahn elastisch nach radial außen eingezwängten Wälzkörper spielfrei vorgespannt und zugleich im Bereich der drei dazwischen liegenden gleichseitigen Umfangsabschnitten an der Ausgangswelle abgestützt.
Eine besonders kostengünstige und montagefreundliche Ausgestaltung der Erfindung sieht zur reibungsarmen spielminimierten Lagerung der Ausgangswelle einen mit Vorspannung zwischen dieser und dem Differenzialgehäuse koaxial angeordneten elastischen Gleitring vor. Diese Ausgestaltung ist besonders einfach aufgebaut, da sie nur ein einziges Bauteil erfordert, das einfach herstellbar ist und sich zudem in einem Schritt, beispielsweise durch Einpressen, einfach montieren lässt. Vorzugsweise ist hierbei der Gleitring mit geringfügigem Übermaß zwischen Differenzialgehäuse und Ausgangswelle eingepasst, so dass das Lagerspiel auf Null reduziert wird.
Vorzugsweise ist der Gleitring in gleitfähigem selbstschmierendem und zugleich elastischem Werkstoff zum Beispiel Kunststoff, insbesondere Elastomer oder PTFE, ausgeführt. Denkbar ist auch einen Gleitring mit einer entsprechenden Beschichtung zu verwenden.
Bevorzugt sind die Hauptlagerung des Differenzials und die Lagerung der Ausgangswelle in einer radialen Belastungszone angeordnet, d. h. das Wälzlager oder der Gleitring zur Lagerung der Ausgangswelle im Differenzialgehäuse liegen in der Hauptbelastungszone der Hauptlagerung. Auf diese Weise wirken die Radialkräfte der Lagerungen im Wesentlichen in einer radialen Zone, so dass keine oder nur sehr geringe Kippmomente entstehen. Die Anordnung in einer radialen Belastungszone hat den weiteren Vorteil, dass die Hauptlagerung des Differenzials und die Lagerung der Ausgangswelle an einem Lagerträger am Differenzialgehäuse abgestützt und dessen Länge relativ kurz ausgeführt werden kann, wodurch der Herstellungsaufwand des Differenzials und der Bauraum reduziert wird.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung liegt der axiale Mittenversatz der Anordnung von Hauptlagerung und Lagerung der Ausgangswelle in einem Bereich zwischen 0 mm und 5 mm.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind.
Es zeigen:
1 einen Teillängsschnitt eines Kraftfahrzeug-Stirnraddifferenzials mit einer erfindungsgemäßen Anordnung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 die erfindungsgemäße Anordnung aus 1 in einem Querschnitt,
3 die erfindungsgemäße Anordnung aus 1 in einem Längsschnitt,
4 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
5 die Anordnung aus 4 in einem Querschnitt,
6 die Anordnung aus 4 in einer Seitenansicht,
7 einen Teillängsschnitt eines Kraftfahrzeug-Stirnraddifferenzials mit einer erfindungsgemäßen Anordnung in einem dritten Ausführungsbeispiel.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 und 7 zeigen jeweils in einem Teillängsschnitt eines Leichtbau-Stirnraddifferenzials für ein Kraftfahrzeug ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Lagerung einer Ausgangswelle 1 im Differenzialgehäuse 2. Das nur teilweise dargestellte Stirnraddifferenzial ist als Verteilerdifferenzial mit Front-Querverteilung in einem Achsabtrieb eines Kraftfahrzeuggetriebes in Front-Quer-Anordnung eingesetzt. Das drehbare Differenzialgehäuse 2 ist in zwei Stahlblechhalbschalen ausgeführt, von denen nur eine zum Teil dargestellt ist. Am Differenzialgehäuse 2 ist radial innen an jeder Stahlblechhalbschale eine zentrale Öffnung mit einem an den Außenseiten als axial vorstehender Ringflansch 12 einteilig ausgeführten Lagerträger ausgebildet. Durch die zentrale Öffnung ist in jeder Stahlblechhalbschale eine als Achswelle ausgeführte Ausgangswelle 1 des Stirnraddifferenzials hindurchgeführt. In jeder Stahlblechhalbschale ist ein Abtriebssonnenrad auf der Ausgangswelle 1 angeordnet. Jede der Stahlblechhalbschalen ist über ein Hauptlager in einem Getriebegehäuse gelagert. Das Hauptlager besteht aus einem beispielhaft als Kegelrollenlager ausgeführten Wälzlager, das am Differenzialgehäuse 2 an der radialen Außenseite des Ringflansches 12 der Stahlblechhalbschale abgestützt ist. Auf diese Weise ist das Differenzialgetriebe am Differenzialgehäuse 2 drehbar im Hauptgetriebegehäuse 13 gelagert. An der radialen Innenseite des Ringflansches 12 ist die Ausgangswelle 1 im Differenzialgehäuse 2 gelagert.
Hierzu ist die Ausgangswelle 1 in einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel (1 und 3) jeweils über ein vorgespanntes Wälzlager mit einer Hülse 9 bzw. mit einem Lagerinnenring 10 und in einem dritten Ausführungsbeispiel (7) über einen unter Vorspannung eingepassten Gleitring 11 am Ringflansch 12 spielfrei abgestützt. Wälzlager und Gleitring 11 sind jeweils koaxial zur Drehachse 14 zwischen Differenzialgehäuse 2 und Ausgangswelle 1 angeordnet.
Erfindungsgemäß liegen Hauptlager des Differenzials und die Lagerung der Ausgangswelle in einer radialen Belastungszone, d. h. das Wälzlager und der Gleitring 11 zur Abstützung der Ausgangswelle 1 liegen am Ringflansch 12 vollständig in der Hauptbelastungszone des Kegelrollenlagers des Differenzialgehäuses 2, so dass die Radialkräfte der Lager in einer radialen Zone wirken und keine Kippmomente entstehen.
Die Einleitung des Drehmoments in das Stirnraddifferenzial erfolgt über eine Stirnradverzahnung am Außenumfang des Differenzialgehäuses und über mehrere im Differenzialgehäuse 2 paarweise angeordnete Ausgleichs- bzw. Planetenräder, die direkt in den Stahlblechhalbschalen gelagert sind. Die Ausgleichsräder eines Paares kämmen über einen Teil ihrer Verzahnungsbreite miteinander. Jeweils ein Ausgleichsrad eines Paares ist zusätzlich mit dem Abtriebssonnenrad einer Ausgangswelle 1 und das andere mit dem Abtriebssonnenrad der nicht dargestellten anderen Ausgangswelle verzahnt. Die im Vergleich zum Kegelraddifferenzial geringeren Verzahnungskräfte des Stirnraddifferenzials ermöglichen einen extrem schmalen Verzahnungskontakt, der eine Bauraum- und Gewichtsreduzierung gegenüber anderen Bauformen von Differenzialen, insbesondere einem Kegelraddifferenzial, ermöglicht. Zudem wird beim Stirnraddifferenzial der maßgebende Radialkraftanteil zu gleichen Teilen auf die Hauptlager des Stirnraddifferenzials übertragen. Auf diese Weise wird eine Reduzierung der Vorspannung erreicht, so dass alternativ zu den Kegelrollenlagern als Hauptlagerung der Einsatz von reibungsärmeren und effizienteren Kugellagern möglich ist.
2 zeigt das spielfrei vorgespannte Wälzlager zur Lagerung der Ausgangswelle 1 in einem Querschnitt. Das Wälzlager ist als Nadellager ausgeführt und besteht aus einer als dünnwandige Nadelhülse ausgeführten Hülse 9, einem Wälzkörperkäfig, hier Nadelkäfig, und Wälzkörpern, hier Nadelrollen. Die Hülse 9 ist spanlos aus Blech herstellbar. In 3 ist die Hülse 9 mit den im Wälzkörperkäfig geführten Nadelrollen im Längsschnitt dargestellt. Die Hülse 9 weist im Querschnittsprofil die geometrische Form eines gleichseitigen Vielecks, hier dreiecksförmig, mit drei gleichen Seiten auf. Zur Verdeutlichung ist die Dreiecksform des Querschnittsprofils stark übertrieben dargestellt. Diese Form ergibt drei abgerundete eckförmige Umfangsabschnitte 15, 16, 17 an denen am Außenumfang der Hülse 9 das Wälzlager am durch eine Kreislinie angedeuteten Differenzialgehäuse 2 abgestützt ist. An den drei um 120° versetzt dazwischen liegenden Umfangsabschnitten ist die Hülse 9 mit der radialen Einfederung Δr elastisch ausgeführt. Hierbei bildet die Hülse 9 an ihrem Innenumfang eine im Querschnitt dreiecksförmig ausgebildete Laufbahn, an der die im Nadelkäfig geführten Nadelrollen zwischen Hülse 9 und Ausgangswelle 1 umlaufen. An den eingefederten Umfangsabschnitten der Hülse entstehen dabei drei nach radial innen von der Kreisform geringfügig abweichende elastisch eingezogene Laufbahnabschnitte 3, 4, 5, an denen die Laufbahn der Nadelrollen verengt ist. Dadurch werden diese zwischen der Hülse 9 und der Ausgangswelle 1 eingepfercht, wodurch die Ausgangswelle 1 definiert radial vorgespannt und das Lagerspiel auf Null minimiert wird.
In 4 ist in einem vergrößerten Teillängsschnitt eine erfindungsgemäße Anordnung für ein Stirnraddifferenzial gemäß 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung weist das als Nadellager ausgeführte Wälzlager einen Lagerinnenring 10 zur spielminimierten Lagerung der Ausgangswelle 1 auf. Der schematisch angedeutete Ringflansch 12 des Differenzialgehäuses 2 bildet hierbei an seinem Innenumfang eine ringförmige Lauffläche 18 für die als Nadelrollen ausgeführten Wälzkörper des Wälzlagers. Die Nadelrollen laufen zwischen dem Lagerinnenring 10 und der Lauffläche 18 am Ringflansch 12 um.
5 und 6 zeigen das zweite Wälzlager aus 4 in vergrößertem Querschnitt und Seitenansicht. Das Querschnittsprofil des mit der Ausgangswelle 1 verbundenen Lagerinnenrings 10 ist dreiecksförmig, mit drei gleichen Seiten. Zur Verdeutlichung ist die Form des Querschnittsprofils stark übertrieben dargestellt. Diese Form ergibt drei abgerundete eckförmige Umfangsabschnitte mit drei um 120° versetzt dazwischenliegenden gleichseitigen Umfangsabschnitten 19, 20, 21, an denen am Innenumfang des Lagerinnenrings 1 das Wälzlager an der Ausgangswelle 1 abgestützt ist. An seinem Außenumfang bildet der Lagerinnenring 10 eine im Querschnitt dreiecksförmig ausgebildete Laufbahn, an der die Wälzkörper zwischen der Lauffläche 18 an dem radial außen angedeuteten Ringflansch 12 und dem Lagerinnenring 10 des Wälzlagers umlaufen. An den eckförmigen Umfangsabschnitten des Lagerinnenrings 10 entstehen dabei drei nach radial außen von der Kreisform geringfügig abweichende elastisch gewölbte Laufbahnabschnitte 6, 7, 8, an denen die Laufbahn der Wälzkörper elastisch geringfügig verengt ist. Dadurch werden diese zwischen dem Ringflansch 12 und dem Lagerinnenring 10 eingepfercht, wodurch die Ausgangswelle 1 definiert radial vorgespannt und das Lagerspiel auf Null reduziert wird. Das am Lagerinnenring 10 spielminimierte zweite Wälzlager kann in vorbeschriebener Weise auch in Differenzialgetrieben anderer Bauform, insbesondere in Kegelraddifferenzialen, zur Lagerung einer Ausgangswelle in einem Differenzialgehäuse eingesetzt werden.
In der dritten Ausführungsvariante (7) umgreift der Gleitring 11 im Differenzialgehäuse 2 die Ausgangswelle 1. Zur Vorspannung ist der Gleitring 11 zwischen Differenzialgehäuse 2 und Ausgangswelle 1 mit geringfügiger Überdeckung der Durchmesser, beispielsweise in einer Übergangspassung, eingepresst. Der Gleitring 11 ist in elastischem Kunststoff, beispielsweise Elastomer, ausgeführt und passt sich durch Verformen beim Einpassen an, so dass das Lager spielfrei ist. Zugleich ist aufgrund der Gleitfähigkeit des Kunststoffes eine Verdrehung zwischen Differenzialgehäuse 2 und Ausgangswelle 1 möglich. Der Gleitring 11 kann in vorbeschriebener Weise auch in anderen Differenzialgetrieben, insbesondere in Kegelraddifferenzialen, zur spielminimierten Lagerung von Ausgangswellen im Differenzialgehäuse eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Ausgangswelle
2: Differenzialgehäuse
3: Laufbahnabschnitt
4: Laufbahnabschnitt
5: Laufbahnabschnitt
6: Laufbahnabschnitt
7: Laufbahnabschnitt
8: Laufbahnabschnitt
9: Hülse
10: Lagerinnenring
11: Gleitring
12: Ringflansch
13: Hauptgetriebegehäuse
14: Drehachse
15: Umfangsabschnitt
16: Umfangsabschnitt
17: Umfangsabschnitt
18: Lauffläche
19: Umfangsabschnitt
20: Umfangsabschnitt
21: Umfangsabschnitt
Δr: Einfederung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3026535 A1 [0003]

Claims

Anordnung zur spielminimierten Lagerung einer Ausgangswelle (1) eines Stirnraddifferenzials in einem Differenzialgehäuse (2), dadurch gekennzeichnet, dass zur Lagerung der Ausgangswelle (1) zumindest ein vorgespanntes Wälz- oder Gleitlager vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorspannung des Wälzlagers die Laufbahn der Wälzkörper an zumindest einem Laufbahnabschnitt (3, 4, 5, 6, 7, 8) elastisch geringfügig verengt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager zur Abstützung im Differenzialgehäuse (2) eine Hülse (9) aufweist, die zur Verengung der Laufbahn der Wälzkörper zumindest einen nach radial innen von der Kreisform geringfügig abweichenden, eingezogenen, elastischen Laufbahnabschnitt (3, 4, 5) ausbildet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager zur Abstützung an der Ausgangswelle (1) einen Lagerinnenring (10) aufweist, der zur Verengung der Laufbahn der Wälzkörper zumindest einen nach radial außen von der Kreisform geringfügig abweichenden, gewölbten, elastischen Laufbahnabschnitt (6, 7, 8) ausbildet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (9) oder der Lagerinnenring (10) dünnwandig ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager als Nadellager mit einer als Nadellagerhülse ausgeführten Hülse (9) in dreiecksförmiger Querschnittsform mit drei gleichseitigen Umfangsabschnitten ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager als Nadellager mit einem in dreiecksförmiger Querschnittsform ausgeführten Lagerinnenring (10) mit drei gleichseitigen Umfangsabschnitten ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gleitlagerung der Ausgangswelle (1) ein unter Vorspannung zwischen dieser und dem Differenzialgehäuse (2) koaxial angeordneter elastischer Gleitring (11) vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitring (11) in einem gleitfähigen und elastischen Werkstoff, insbesondere Kunststoff, ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälz- oder Gleitlager zur Lagerung der Ausgangswelle (1) und die Lagerung des Stirnraddifferenzials im Wesentlichen in einer radialen Belastungszone angeordnet sind.