DE102011004414A1

DE102011004414A1 - Verfahren zur Montage von wenigstens einem Thermokompensationselement in vorgespannten Lageranordnungen

Info

Publication number: DE102011004414A1
Application number: DE102011004414A
Authority: DE
Inventors: Thorsten BIERMANN; Florian Dörrfuß
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2012-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage von wenigstens einem Thermokompensationselement in vorgespannten Lageranordnungen, wobei die Lageranordnung wenigstens zwei auf einer Welle und in einem Gehäuse sitzende sowie mit Vorspannung gegeneinander angestellte Wälzlager aufweist, zwischen denen das Thermokompensationselement unter der Vorspannung eingeklemmt ist, und wobei das Thermokompensationselement wenigstens ein Dehnelement aus einem Werkstoff aufweist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient höher ist als der der Werkstoffe wenigstens eines der Bauteile Wälzlager, Welle oder Gehäuse.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Montage von wenigstens einem Thermokompensationselement in vorgespannten Lageranordnungen, wobei die Lageranordnung wenigstens zwei auf einer Welle und in einem Gehäuse sitzende sowie mit Vorspannung gegeneinander angestellte Wälzlager aufweist, zwischen denen das Thermokompensationselement unter der Vorspannung eingeklemmt ist, und wobei das Thermokompensationselement wenigstens ein Dehnelement aus einem Werkstoff aufweist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient höher ist als der der Werkstoffe wenigstens eines der Bauteile Wälzlager, Welle oder Gehäuse.
Hintergrund der Erfindung
In Baugruppen, die Bauteile und Maschinenelemente aus unterschiedlichen Werkstoffen aufweisen, sind aufgrund der sich unterscheidenden Wärmeausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Werkstoffe bei Temperaturänderungen unterschiedliche Längenänderungen der Bauteile und Maschinenelemente zu erwarten. Diese Längenänderungen aufgrund von Wärmedehnung sind insbesondere in Kraftfahrzeugdifferenzialen und Verteilergetrieben aber auch in anderen Getriebeanordnungen unerwünscht. Das trifft insbesondere auf die Lagerungen von Ritzelwellen und anderer Wellen mittels vorgespannter Schräglageranordnungen zu. In Schräglageranordnungen sind zwei oder mehr Schräglager in Form von Schrägkugellagern oder Kegelrollenlagern gegeneinander angestellt und spielfrei axial gegeneinander vorgespannt. In der Regel sind die Gehäuse der Getriebeanordnungen aus Aluminiumdruckguss oder Magnesiumguss und die Wellen aus Stahl. Die mehr als doppelte Wärmedehnung des Gehäuses aus einer Aluminiumlegierung gegenüber der Welle aus Stahl macht sich in der Lageranordnung unter Umständen bis zum Spiel in der ursprünglich spielfrei vorgespannten Lageranordnung bemerkbar.
Zur Kompensation dieser Spiele sind beispielsweise aus US 5,028,152 A sogenannte Thermokompensationselemente (TC-Elemente = TCE) bekannt. Diese TCE sind im Wesentlichen durch Ausgleichselemente in Form von ringförmigen Dehnelementen aus elastischen Kunststoff-Materialien gebildet. Diese Materialien der Dehnelemente weisen einen wesentlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, als die Werkstoffe des Gehäuses oder der Welle und deren Lageranordnungen.
Der Ausdehnungskoeffizient oder Wärmeausdehnungskoeffizient ist ein Kennwert, der das Verhalten eines Stoffes bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturänderungen beschreibt – deswegen oft auch thermischer Ausdehnungskoeffizient genannt. Der hierfür verantwortliche Effekt ist die Wärmeausdehnung. Da die Wärmeausdehnung bei vielen Stoffen nicht gleichmäßig über alle Temperaturbereiche erfolgt, ist auch der Wärmeausdehnungskoeffizient selbst temperaturabhängig.
Ein TCE der gattungsbildenden Art ist in US 5, 028, 152 beschriebenen. Es ist aus einem zweiteiligen Gehäuse gebildet, in dem ein Ausgleichselement in Form eines ringförmigen Dehnelements eingekapselt ist. Das zweiteilige Gehäuse ist aus einem ersten U-förmigen Ringprofil und einem zweiten U-förmigen Ringprofil gebildet. Die Ringprofile weisen als Voraussetzung für die Funktion des TCE einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Dehnelement auf und sind in der Regel aus Stahlblech.
Eines der Ringprofile ist längs verschiebbar in das andere Ringprofil gesteckt, so dass beide Mittelachsen der Profile aufeinander liegen und dementsprechend eine gemeinsame Mittelachse aufweisen. Das Ringprofil ist aus zwei konzentrischen Ringwänden und einer scheibenförmigen Platte gebildet. Ein Längsschnitt entlang der Mittelachse durch das jeweilige Profil beschreibt dieses als U-förmig. Das U, das üblicherweise durch einen Querbalken und von dem Querbalken abgehenden parallele Schenkeln gebildet wird, ist in diesem Fall so ausgerichtet, dass die Schenkel und damit die Ringwände jeweils parallel zur Mittelachse verlaufen und damit in axiale Richtung weisen. Der Boden des jeweiligen Ringprofils ist eine ringförmige Platte, die radial ausgerichtet ist und längs, also in axiale Richtung weisende, Flächen bildet. An diesen Ringflächen ist das Dehnelement axial abgestützt. In einer vorgespannten Lageranordnung ist das Dehnelement axial zwischen den einander gegenüberliegenden Platten eingespannt.
Die Profile stecken zur Bildung des Gehäuses so ineinander, dass das erste Ringprofil zumindest teilweise mit seinen ersten Ringwänden und dabei mit der Öffnung voran zwischen die zweiten Ringwände des zweiten Ringprofils greift. Die Ringwände beider Ringprofile sind radial aneinander geführt und sind entlang der Mittelachse axial gegeneinander verschiebbar.
Ein Abschnitt des Dehnelements des TCE nach US 5, 028, 152 A ist radial zwischen den Ringwänden des ersten Ringprofils geführt. Ein weiterer Abschnitt steht axial aus diesem ersten Ringprofil heraus und in das zweite Ringprofil hinein. Zwischen den außen liegenden und innen liegenden zweiten Ringwänden des zweiten im Längsschnitt U-förmigen Ringprofils und dem zweiten Abschnitt des Ausgleichelements ist jeweils ein Ringspalt ausgebildet, dessen radiale Abmessung im unbelasteten Ausgangszustand des Thermokompensationselements der radialen Wanddicke der Ringwände des ersten U-förmigen Profils entspricht.
Folgen weiterer Wärmedehnung des Gehäuses, die üblicherweise zu Spiel in der Lageranordnung führen, werden durch das TCE ausgeglichen. Darüber hinaus wird aufgrund des höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auch die Vorspannung in der Schräglageranordnung axial durch das TCE gehalten. Die radiale Kapselung der Dehnelemente mit Gehäusen der vorher beschriebenen Gattung bewirkt am nicht verbauten TCE bzw. bei Spiel in der Lageranordnung auch am verbauten TCE, dass auch die temperaturabhängige Volumenänderung des Ausdehnungselementes sich im Wesentlichen als Änderungen der axialen Abmessung, also als Längenänderung des nicht vorgespannten TCE, bemerkbar macht. Bei Wärmedehnung verschieben sich die Ringprofile so gegeneinander, dass sich die Böden der beiden Ringprofile axial voneinander entfernen. Dabei fahren die ineinander gesteckten Ringprofile teleskopartig auseinander, was in einer Vergrößerung der axialen Abmessung des TCE resultiert. Wenn das Spiel in einer Lageranordnung ausgeglichen ist, ist das Dehnelement an weiterer Ausdehnung gehindert. Weiterer Temperaturanstieg an dem Dehnelement führt dazu, dass sich das Dehnelement in dem Gehäuse zunehmend verspannt und somit für eine Vorspannung in der Lageranordnung sorgt.
Das TCE wird in einer mit US 5, 028, 152 A beschriebenen Anordnung axial zwischen dem Gehäuse und einer Stufe eines äußeren Lagerrings eingesetzt, so dass der Boden des einen U-förmigen Ringprofils mit seiner Außenseite axial an einer Stufe des äußeren Lagerrings und der Boden des anderen Ringprofils mit seiner Außenseite in entgegengesetzter axialer Richtung an dem Gehäuse abgestützt ist. Wenn die Schräglageranordnung spielfrei vorgespannt ist das TCE ebenfalls der Vorspannkraft ausgesetzt, da sich der Lagerring über das als Gegenlager unter der Vorspannkraft eingeklemmte/eingespannte TCE an dem Gehäuse abstützt.
Ein weiteres Beispiel einer denkbaren gattungsgemäßen Lageranordnung ist in DE 198 33 910 B4 beschrieben. In einem Getriebegehäuse sitzt ein TCE in einer Aussparung einer Eingangswelle eines Getriebes. Das TCE wirkt axial entweder auf einen Kolben oder auf ein Axialrollenlager ein.
Die Genauigkeit des über die TCE – Elemente geregelten Spiels hängt von vielen Faktoren ab. Einerseits weisen die TCE – Elemente und deren Gehäuse selbst Maßabweichungen auf. Andererseits kann den Dehnelementen der TCE bei gleichen Temperaturen reproduzierbares Dehnungsverhalten nur innerhalb bestimmter Toleranzbereiche nicht aber immer ein gleicher Wert „Dehnung” bei gleicher Temperatur zugeordnet werden. Darüber hinaus unterscheiden sich die Umgebungszustände wie die Temperaturen, unter denen derartige Elemente und die Getriebe montiert werden, so dass die Spieleinstellung im Ausgangszustand nach wie vor mit Fehlern behaftet sein kann und nicht reproduzierbar ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Ausgleichscharakteristik der TCE in allen denkbaren Lageranordnungen und Betriebszuständen betriebssicher sowie mit geringen Toleranzen zu gewährleisten.
Die Aufgabe ist nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird das Thermokompensationselement oder das Dehnelement unmittelbar vor der Montage in die Lageranordnung auf eine Temperatur im Bereich von 0°C bis –40°C gekühlt und anschließend bei Umgebungstemperaturen im Bereich von +10° bis +45°C in die Lageranordnung montiert.
Ein weiterer unabhängiger Anspruch sieht ein Verfahren zur Montage eines Thermokompensationselementes vor, nach dem das Dehnelement unmittelbar vor der Montage in das Gehäuse auf eine Temperatur im Bereich von 0°C bis –40°C gekühlt und anschließend bei Umgebungstemperaturen im Bereich von +10° bis +45°C in das Gehäuse montiert wird.
Das Thermokompensationselement ist aus dem im Kapitel „Hintergrund der Erfindung” beschriebenen zweiteiligen Gehäuse und aus mindestens einem Dehnelement gebildet. Das Dehnelement aus einem Werkstoff ist, der einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Leichtmetalllegierungen des Gehäuses aber auch als der Stähle der Welle und der Wälzlager aufweist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse, parallel zur Unterkühlung des Dehnelements, vor der Montage des Dehnelements in das Gehäuse auf über +40°C erwärmt wird. Durch die Maßnahmen soll sichergestellt werden, dass bei Montage eine Differenztemperatur zwischen dem Gehäuse und dem Dehnelement von mindestens 25°C eingestellt ist.
Mit einer derartigen Montage können die Genauigkeit der Einstellung von Spiel und Vorspannung beeinflussende Einflüsse, wie unterschiedliche Umgebungstemperaturen und Toleranzen des Dehnungsverhaltens gemindert werden. Die Bedingungen der Montage sind reproduzierbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Einstellung von Spielen in Anordnungen wie Getrieben geeignet, in denen Thermokompensationselemente eingesetzt werden. Das bevorzugte TCE ist aus einem zweiteiligen Gehäuse gebildet, in dem ein Dehnelement angeordnet ist. Das zweiteilige Gehäuse ist aus einem ersten Ringprofil und einem zweiten Ringprofil gebildet. Eines der Ringprofile ist längs verschiebbar in das andere Ringprofil gesteckt, so dass beide Mittelachsen der Profile aufeinander liegen und dementsprechend eine gemeinsame Mittelachse aufweisen.
Das jeweilige Ringprofil ist aus zwei konzentrischen Ringwänden und einem Boden gebildet. Der Boden verbindet die die beiden Ringwände des jeweiligen Ringprofils radial. Ein Längsschnitt entlang der Mittelachse durch das jeweilige Ringprofil beschreibt dieses vorzugsweise als U-förmig. Das U, das üblicherweise durch einen Querbalken und von dem Querbalken abgehenden parallele Schenkeln gebildet wird, ist in diesem Fall so ausgerichtet, dass die Schenkel und damit die Ringwände hohlzylindrisch sind und damit jeweils parallel zur Mittelachse verlaufen – somit in axiale Richtung weisen.
Denkbar ist auch, dass eine oder mehrere der Ringwände radial nach innen oder außen ausgelenkt und wieder in axiale Richtung zurückgeführt sind, so wie dies beispielsweise zur Bildung von Sicken üblich ist. Darüber hinaus kann das erste der Profile umfangsseitig in mehrere Kammern unterteilt sein. Die Ringwände können mit Durchbrüchen oder Sicken oder mit anderen Formschlusselementen versehen sein, die dazu geeignet sind die beiden Ringprofile ineinander zu halten.
Der Boden des jeweiligen Ringprofils ist entweder eine lochscheibenförmige Platte oder ist beliebig gewölbt, durch Durchbrüche unterbrochen oder beliebig anders strukturiert. So können die Böden der Ringprofile torusartig gewölbt, sein, sind vorzugsweise jedoch flach mit im wesentlichen kreisringflächenartiger Grundfläche ausgebildet. Der Boden kann das jeweilige Profil endseitig verschließen oder ist beispielsweise mittig des Ringprofils so angeordnet, dass das Ringprofil im Längsschnitt entlang der Mittelachse ein H-Profil bildet, bei dem der Boden die Querverbindung zwischen den Schenkeln ist.
Die Grundform der Ringprofile kann gleich sein. Die Grundformen der Ringprofile eines TCE können jedoch auch voneinander abweichen. Die Ringprofile sind aus gleichem Material oder zueinander aus unterschiedlichem Material, vorzugsweise aus Stahlblech, können aber auch aus Leichtmetallen und deren Legierungen oder aus Kunststoff sein. Wenigstens das Material eines der Profile, vorzugsweise beider Profile weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der geringer ist als die des Materials des Dehnelements.
Das Dehnelement kann ein Ring sein oder ist aus Segmenten gebildet die trennbar oder untrennbar aneinander liegen. Die Segmente folgen beispielsweise in Umfangsrichtung in dem Gehäuse aufeinander oder liegen in axialer Richtung nebeneinander. So ist es denkbar, dass der erste Abschnitt des Dehnelements separat zu dem zweiten Abschnitt des Dehnelements ausgebildet ist.
Ein Abschnitt des Dehnelements ist radial zwischen den Schenkeln des ersten Ringprofils geführt. Erfindungsgemäß steht ein zweiter Abschnitt des Dehnelements axial aus diesem ersten Ringprofil heraus und liegt axial an dem Boden des zweiten Ringprofils an.
Wälzlager sind die dem Fachmann bekannten Lager mit Kugeln oder Rollen, die vorzugsweise als Schräglager aber auch als Axial- oder Radiallager, ausgeführt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5028152 A [0003, 0008, 0010]
US 5028152 [0005]
DE 19833910 B4 [0011]

Claims

Verfahren zur Montage von wenigstens einem Thermokompensationselement in vorgespannten Lageranordnungen, wobei die Lageranordnung wenigstens zwei auf einer Welle und in einem Gehäuse sitzende sowie mit Vorspannung gegeneinander angestellte Wälzlager aufweist, zwischen denen das Thermokompensationselement unter der Vorspannung eingeklemmt ist, und wobei das Thermokompensationselement wenigstens ein Dehnelement aus einem Werkstoff aufweist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient höher ist als der der Werkstoffe wenigstens eines der Bauteile Wälzlager, Welle oder Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermokompensationselement oder das Dehnelement unmittelbar vor der Montage in die Lageranordnung auf eine Temperatur im Bereich von 0°C bis –40°C gekühlt und anschließend bei Umgebungstemperaturen im Bereich von +10° bis +45°C in die Lageranordnung montiert wird.
Verfahren zur Montage eines Thermokompensationselementes, wobei das Thermokompensationselement aus wenigstens einem zweiteiligen Gehäuse und aus mindestens einem Dehnelement gebildet ist, wobei das Dehnelement aus einem Werkstoff ist, der einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Leichtmetalllegierungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnelement unmittelbar vor der Montage in das Gehäuse auf eine Temperatur im Bereich von 0°C bis –40°C gekühlt und anschließend bei Umgebungstemperaturen im Bereich von +10° bis +45°C in das Gehäuse montiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse vor der Montage des Dehnelements in das Gehäuse auf über +40C erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Montage eine Differenztemperatur zwischen dem Gehäuse und dem Dehnelement von mindestens 25°C eingestellt wird.