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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein thermisches Ausgleichselement für eine Lageranordnung, umfassend einen Kolbenring mit einer axialen Ausnehmung, in welcher ein Dehnungsmaterial aufgenommen ist, sowie einen Druckkolben mit wenigstens einem axialen Anschlag und einem sich axial erstreckenden Steg, wobei der Druckkolben über den Steg axial verschiebbar in der Ausnehmung des Kolbenrings gelagert ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lageranordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem vorbeschriebenen thermischen Ausgleichselement.
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Hintergrund der Erfindung
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Thermische Ausgleichselemente werden insbesondere in Vorrichtungen eingesetzt, deren einzelne Bauteile aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Entsprechend dehnen sich derartige Bauteile bei einer Temperaturänderung unterschiedlich stark aus, so dass eine relative Lageänderung der Bauteile zueinander beobachtet werden kann.
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Merklich wird der Effekt der Wärmeausdehnung vor allem bei Lageranordnungen oder Getriebeanordnungen, deren Gehäuse aus einem Leichtmetall bestehen, wohingegen eine innerhalb des Gehäuses zu lagernde Welle aus einem Stahl gefertigt ist. Aufgrund der Differenz der thermischen Ausdehnung der verschiedenen eingesetzten Materialien treten besonders bei sogenannten angestellten Lagerungen häufig Probleme auf. Durch die unterschiedliche Längenausdehnung der Bauteile kann die benötigte Vorspannung innerhalb des Lagers bzw. an den Lagerstellen nicht aufrechterhalten werden, so dass die präzise Lagerung einer Welle und damit beispielsweise ein störungsfreier und sicherer Betrieb eines Kraftfahrzeugs nicht gewährleistet ist.
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Hierzu ist aus der
DE 10 2007 044 616 A1 eine Kompensationsvorrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter relativer axialer Lageänderungen zwischen zwei Bauteilen bekannt. Zum Ausgleich ist ein konischer Hohlkörper mit einem Hohlraum umfasst, der von einem Dehnungsmaterial ausgefüllt ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient einen deutlich höheren Wert aufweist, als das Material der anderen Maschinenbauteile. Das Dehnungsmaterial steht mit einem Kolben derart in Wirkkontakt, dass der Kolben bei thermisch bedingter Volumenänderung des Dehnungsmaterials eine axiale Bewegung ausführt.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist eine erste Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes thermisches Ausgleichselement anzugeben, welches die Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen ermöglicht.
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Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lageranordnung anzugeben, welche sich die Verbesserung des thermischen Ausgleichselements zunutze macht.
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Lösung der Aufgabe
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Die erste Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein thermisches Ausgleichselement für eine Lageranordnung, umfassend einen Kolbenring mit einer axialen Ausnehmung, in welcher ein Dehnungsmaterial aufgenommen ist, sowie einen Druckkolben mit wenigstens einem axialen Anschlag und einem sich axial erstreckenden Steg, wobei der Druckkolben über den Steg axial verschiebbar in der Ausnehmung des Kolbenrings gelagert ist. Hierbei ist vorgesehen, dass der Druckkolben unterhalb einer Solltemperatur über seinen Anschlag unmittelbar am Kolbenring gegengelagert ist.
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Die Erfindung berücksichtigt, dass die bislang zur Kompensation thermischer bedingter Längenänderungen eingesetzten Ausgleichselemente grundsätzlich die sichere Lagerung einer Welle und damit den störungsfreien Betrieb einer Lager- oder Getriebeanordnung bei der entsprechenden Betriebstemperatur ermöglichen. Hierbei dehnt sich das Dehnungsmaterial des Ausgleichselements derart aus, dass die benötigte Vorspannung an den Lagerstellen auch bei einem thermisch bedingten unterschiedlichen Ausdehnungsverhalten der weiteren metallischen Bauteile, wie beispielsweise Gehäuse und Welle, erhalten bleibt.
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Allerdings wird bei der Konstruktion und dem Einsatz vorbeschriebener oder ähnlicher thermischer Ausgleichselemente bislang lediglich der Bereich der Betriebstemperatur berücksichtigt. Unterhalb dieses Betriebsbereiches herrscht aufgrund der Kontraktion des Dehnungsmaterials eine undefinierte Vorspannung an den Lagerstellen. So können bei Temperaturen unterhalb der Betriebstemperatur beispielsweise Luft und Öl in die Ausnehmung eines Ausgleichselements gelangen, da das Dehnungsmaterial in diesem Fall die Ausnehmung nicht mehr radial ausfüllt.
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Bei einer anschließenden Temperaturerhöhung im Betrieb werden entsprechend zuerst die Luft und/oder die Ölpolster aus der Ausnehmung herausgedrückt, so dass keine zur Temperatur proportionale Ausdehnung des Dehnungsmaterials erfolgen kann.
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Somit ergibt sich durch die Kontraktion des Dehnungsmaterials bei Temperaturen unterhalb einer Solltemperatur ein unerwünschtes ungleichförmiges Ausdehnungsverhalten des Dehnungsmaterials bei einer Temperaturerhöhung und damit eine undefinierte Vorspannung an den Lagerstellen.
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Die Erfindung erkennt, dass diese Problematik dann überwunden werden kann, wenn ein thermisches Ausgleichselement mit einem Druckkolben eingesetzt wird, der unterhalb einer Solltemperatur über einen axialen Anschlag unmittelbar am Kolbenring gegengelagert ist. Mit anderen Worten stützt sich der Druckkolben unterhalb der Solltemperatur lediglich über den axialen Anschlag, nicht jedoch über das Dehnungsmaterial am Kolbenring ab.
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Dies führt dazu, dass der Druckkolben auch bei einer Kontraktion des Dehnungsmaterials unterhalb der Solltemperatur nicht weiter in die Ausnehmung des Kolbenrings geschoben werden kann. Die Vorspannung des Lagers bzw. die Vorspannung an den Lagerstellen erhöht sich somit unterhalb der Solltemperatur unabhängig vom thermisch bedingten Kontraktionsverhalten des Dehnungsmaterials. Auf diese Weise kann eine undefinierte Vorspannung aufgrund des nicht vorhersagbaren Ausdehnungsverhaltens des Luft/Öl-Gemisches und des Dehnungsmaterials in der Ausnehmung unterhalb der Solltemperatur vermieden werden.
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Mit anderen Worten ist durch die Gegenlagerung des axialen Anschlags des Druckkolbens am Kolbenring unterhalb der Solltemperatur das unterschiedliche Wärmeausdehnungsverhalten zwischen dem Bauteilen verschiedener Materialien unter Aufrechterhaltung der für den Betrieb benötigten Vorspannung über einen weiten Temperaturbereich kompensierbar.
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Die Solltemperatur kann je nach Anforderung und Einsatzgebiet des thermischen Ausgleichselements unterschiedlich sein. Vorliegend ist mit der Solltemperatur die Temperatur gemeint, die bei der Montage des Ausgleichselements vorherrscht. Oberhalb der der Montagetemperatur befindet sich zweckmäßigerweise der gängige Betriebsbereich. Die Soll- bzw. Montagetemperatur liegt üblicherweise bei etwa 20°C, kann jedoch beispielsweise entsprechend den jeweiligen Anforderungen an seinen Einsatzort selbstverständlich auch bei Temperaturen oberhalb oder unterhalb von 20°C liegen. Bevorzugt ist die Soll- oder Montagetemperatur als eine Minimaltemperatur gewählt, die im Betrieb auftreten kann. Dies hat den Vorteil einer Spielfreiheit bei dieser Betriebstemperatur.
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Die Montage des Ausgleichselements erfolgt bei der Solltemperatur zweckmäßigerweise spielfrei, so dass bei dieser Temperatur der Druckkolben sowohl über seinen axialen Anschlag als auch über die in der Ausnehmung befindliche Dehnungskomponente am Kolbenring gegengelagert ist.
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Der Kolbenring kann aus verschiedenen Materialien bestehen, wobei aufgrund der Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit besonders metallische Werkstoffe bevorzugt sind. Die axiale Ausnehmung des Kolbenrings kann beispielsweise nur teilweise oder auch vollumfänglich in diesem ausgebildet sein, so dass das Dehnungsmaterial entweder nur an einigen Stellen oder vollständig entlang des Umfangs in der axialen Ausnehmung aufgenommen ist.
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Der axial beweglich gelagerte Druckkoben weist einen axialen Steg auf, der in der Ausnehmung des Kolbenrings positioniert ist. Der axiale Steg ermöglicht eine gleichmäßige Bewegung des Druckkolbens in der Ausnehmung des Kolbenrings und verhindert aufgrund der axial verschieblichen Lagerung zwischen den Axialstegen des Druckkolbens ein unerwünschtes Verrutschen und/oder ein Verkanten. Weiterhin ist der Druckkolben vorzugsweise bei der Solltemperatur über seinem in der Ausnehmung axial verschiebbar gelagerten axialen Steg am Dehnungsmaterial gegengelagert.
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Bei einer Temperaturerhöhung wird der Steg durch die Ausdehnung des Dehnungsmaterials in axialer Richtung aus der Ausnehmung herausgedrückt, wobei hier auch bei maximaler thermischer Ausdehnung der Steg zumindest teilweise in der Ausnehmung gelagert bleibt. Auch der Druckkolben kann aus verschiedenen Materialien gefertigt sein, wobei sich auch hier temperatur- und korrosionsbeständige metallische Werkstoffe eignen.
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Als Dehnungsmaterial können verschiedene Materialien eingesetzt sein. Zweckmäßigerweise weist das Dehnungsmaterial einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der oberhalb der Solltemperatur größer ist, als die jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten der übrigen Bauteile. Dies ermöglicht die Kompensation unterschiedlicher thermisch bedingter Längenausdehnungen ebenso wie die Bereitstellung oder Aufrechterhaltung der notwendigen Vorspannung.
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Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist eine stoffspezifische Materialkonstante und beschreibt das Verhalten eines Materials bei einer Temperaturänderung. Der Wärmeausdehnungskoeffizient wird hierbei üblicherweise für eine bestimmte Bezugstemperatur bzw. einen entsprechenden Temperaturbereich angegeben. Hierbei wird gemeinhin zwischen dem Längenausdehnungskoeffizienten α und dem thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten γ unterschieden.
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Der Längenausdehnungskoeffizienten α beschreibt hierbei die relativen Längenänderung eines Festkörpers bei einer Temperaturänderung, wohingegen der Volumenausdehnungskoeffizient γ das Verhältnis zwischen der relativen Volumenänderung und der Temperaturänderung eines Materials angibt. Der Volumenausdehnungskoeffizient γ entspricht hierbei annähernd dem dreifachen Wert des Längenausdehnungskoeffizienten α.
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Der axiale Anschlag des Druckkolbens ist beispielsweise als ein Absatz ausgebildet, der an einem entsprechenden Gegenanschlag bzw. einer entsprechend ausgebildeten Anlagefläche des Kolbenrings zur Anlage kommt. Hierdurch wird, wie bereits vorgeschrieben, verhindert, dass der Druckkolben bei einer Temperaturverringerung unterhalb der Solltemperatur weiter in die Ausnehmung des Kolbenrings geschoben werden kann. Der axiale Anschlag des Druckkolbens und der jeweilige Gegenanschlag des Kolbenrings sind zweckmäßigerweise hinsichtlich ihrer Form und Ihrer Größe und aufeinander abgestimmt.
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Weiterhin kann der Druckkolben, beispielsweise unter Berücksichtigung seiner Größe und der auf das System bzw. das thermische Ausgleichselement wirkenden Kräfte auch eine Mehrzahl von axialen Anschlägen aufweisen, über die sich der Druckkolben unterhalb der Solltemperatur am Kolbenring abstützt. Entsprechend ist in diesem Fall auch der Kolbenring mit einer Mehrzahl von Anlageflächen bzw. Gegenanschlägen ausgebildet, um so eine sichere Gegenlagerung zu ermöglichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der axiale Anschlag durch die Stirnfläche des Druckkolbens gebildet. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine einfache Herstellung des Druckkolbens und eine kostengünstige und einfach zu handhabende Montage des Ausgleichselements. Auf ein aufwendiges und Präzision erforderndes Einbringen von Vertiefungen oder Nuten in den Druckkolben oder den Kolbenring kann dank dieser Ausgestaltung verzichtet werden.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung ist die axiale Ausnehmung des Kolbenrings ringförmig. Die Ausnehmung ist entsprechend vollumfänglich entlang des Umfangs des Kolbenrings ausgebildet, so dass auch das in der Ausnehmung aufgenommene Dehnungsmaterial den ganzen Umfang des Kolbenrings umläuft. Auf diese Weise kann ein temperaturbedingte Längen- und/oder Volumenänderung der Bauteile gleichmäßig ausgeglichen werden.
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Vorzugsweise ist die Ausnehmung des Kolbenrings zwischen zwei Axialstegen ausgebildet. Die Axialstege verlaufen entsprechend achsparallel und können beispielsweise in Form umlaufender Bunde ausgestaltet sein. Sie begrenzen die Ausnehmung des Kolbenrings insbesondere an dessen Innenumfang und an dessen Außenumfang und ermöglichen so eine sichere axial verschiebbare Lagerung des in der Ausnehmung aufgenommenen Stegs des Druckkolbens.
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Zweckmäßigerweise umfasst der Kolbenring zur Gegenlagerung des Druckkolbens zumindest eine Anlagefläche. Wie bereits vorbeschrieben kann durch die Gegenlagerung bzw. Abstützung an der Anlagefläche verhindert werden, dass der Druckkolben bei einer Temperaturverringerung unterhalb der Solltemperatur unerwünscht in die Ausnehmung des Kolbenrings geschoben wird. So kann die Vorspannung an den Lagerstellen unterhalb der Solltemperatur erhöht werden.
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Vorzugsweise ist der axiale Steg des Druckkolbens unterhalb der Solltemperatur vollständig in der axialen Ausnehmung des Kolbenrings aufgenommen. Entsprechend stützt sich der Druckkolben über seinen oder seine Anschläge an dem oder jedem Gegenanschlag des Kolbenrings ab. Ein Kontakt mit dem Dehnungsmaterial unterhalb der Solltemperatur ist aufgrund dessen thermisch bedingter Kontraktion nicht gegeben.
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Vorteilhafterweise ist als Dehnungskomponente ein Elastomer eingesetzt. Elastomere eignen sich aufgrund ihrer elastischen Verformbarkeit. Sie können sich bei Zug-, Druck- und Temperaturbelastung elastisch verformen und finden nach Wegfall der wirkenden Kräfte wieder in ihre ursprüngliche Form zurück. Beispielsweise können Fluorelastomere mit hoher chemischer Beständigkeit, insbesondere gegenüber Ölen und Kohlenwasserstoffen, eingesetzt werden. Derartige Elastomere halten auch bei hohen Temperaturen äußeren Einflüssen stand, ohne aufzuquellen oder sich aufzulösen.
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Bevorzugt besteht der Druckkolben aus einem metallischen Werkstoff. Metalle haben einen relativ hohen Schmelzpunkt und bieten so die benötigte Temperaturbeständigkeit bei Betriebsbedingungen. Weiterhin sind sie im Wesentlichen chemisch beständig gegenüber äußeren Einflüssen. Die Eigenschaften des metallischen Werkstoffs können hierbei über die Zusammensetzung, also beispielsweise über die Bestandteile einer metallischen Legierung, eingestellt werden. Der Druckkolben kann weiterhin beispielsweise mittels eines einfach zu handhabenden Umfomverfahrens, wie einem Wälzen und Biegen oder einem Tiefziehen, gefertigt sein. Selbstverständlich sind natürlich auch andere Verfahren, wie zum Beispiel ein Gießverfahren, zur Herstellung des Druckkolbens denkbar.
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Weiter bevorzugt besteht der Kolbenring aus einem metallischen Werkstoff. Hier gilt hinsichtlich der Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit sowie hinsichtlich der Fertigung des Kolbenrings das Vorgenannte wie beim Druckkolben.
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Zweckmäßigerweise sind der Druckkolben und der Kolbenring aus dem gleichen Werkstoff gefertigt, so dass sie den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. So kann verhindert werden, dass sich bei einer Temperaturänderung ein unerwünschtes Spiel zwischen den beiden Bauteilen ergibt. Alternativ können selbstverständlich auch verschiedene Werkstoffe eingesetzt werden, die einen im Wesentlichen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.
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Die zweite Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lageranordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Lagergehäuse, ein innerhalb des Lagergehäuses angeordnetes Lager mit einem Lagerring, sowie ein thermisches Ausgleichselement nach einer der vorgenannten Ausgestaltungen. Hierbei ist das Lagergehäuse unterhalb der Solltemperatur im Wesentlichen über den axialen Anschlag des Druckkolbens am Lagerring gegengelagert
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Durch die Gegenlagerung des Lagergehäuses am Lagerring kann bei der Montage grundsätzlich die benötigte Vorspannung an den Lagerstellen innerhalb der Lageranordnung eingestellt werden.
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Der Einsatz des thermischen Ausgleichselements ist dann notwendig, wenn sich, wie einleitend beschrieben, bei einer Temperaturänderung die einzelnen Bauteile, also insbesondere ein Gehäuse und eine gelagerte Welle, aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlich stark ausdehnen, so dass ein unerwünschtes Spiel entsteht und die notwendige Vorspannung nicht länger gewährleistet ist.
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Durch den Einsatz eines thermischen Ausdehnungselements ist das Lagergehäuse unterhalb der Solltemperatur im Wesentlichen über den axialen Anschlag des Druckkolbens am Lagerring gegengelagert, so dass auch bei verschiedenen Materialien der Bauteile ein unterschiedliches Ausdehnungsverhalten kompensiert und eine präzise Lagerung einer Welle gewährleistet werden kann.
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Das Lagergehäuse kann je nach Ausgestaltung aus verschiedenen Materialien gefertigt sein. Vorzugsweise werden jedoch Gehäuses zum Einsatz in Kraftfahrzeugen aus Leichtmetallen, wie Aluminium oder Magnesium oder einer Legierung mit beiden Bestandteilen eingesetzt. Entsprechend ist das Lagergehäuse der Lageranordnung bevorzugt aus einem entsprechenden Leichtmetall gefertigt.
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Das Lager ist vorzugsweise als ein Wälzlager ausgebildet. Ein Wälzlager besteht im Allgemeinen aus zwei Lagerringen mit integrierten Laufbahnen. Zwischen den Lagerringen sind Wälzkörper angeordnet, die sich auf den Laufbahnen abwälzen. Als Wälzkörper gängiger Lagertypen können je nach Anforderung beispielsweise Kugeln, Zylinderrollen, Nadelrollen oder Kegelrollen eingesetzt werden. Hierbei ist entweder eine Ausbildung mit einem die Wälzkörper führenden Käfig oder beispielsweise auch eine vollkugelige Variante ohne Käfig möglich.
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Vorzugsweise ist das Lager als ein sogenanntes angestelltes Kegelrollenlager ausgebildet, welches sowohl in radialer als auch in axialer Richtung sehr hoch belastbar ist. Es besteht aus zwei spiegelbildlich angeordneten Kegelrollenlagern, wobei üblicherweise zwei Lager gegeneinander angestellt werden Die Wälzkörper haben die Form eines Kegelstumpfes und sind gegenüber der Wellenachse geneigt. Ein Lagersitz wird bei der Montage soweit verschoben, bis die Lagerung die nötige Vorspannung hat. Daraus resultieren höhere Lagersteifigkeiten, wie auch eine genauere Führung der Welle.
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Weiter bevorzugt ist eine angestellte Lagerung über ein Schrägkugellager bzw. über ein Tandemschrägkugellager eingesetzt. Da diese beiden Lagertypen vornehmlich in reibungsarmen Antriebssträngen eingesetzt werden, ist gerade bei solchen Anwendungen eine Minimierung der Vorspannung interessant.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den auf das thermische Ausgleichselement gerichteten Unteransprüchen, die sinngemäß auf die Lageranordnung übertragen werden können.
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Erfolgt die Montage des Ausgleichselements bei der erwarteten Minimaltemperatur der Anwendung, sind im Betrieb die Anschläge kaum belastet und es resultiert eine stabile Vorspannkraft über den gesamten Temperaturbereich, in dem die Lageranordnung betrieben wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 ein thermisches Ausgleichselement mit einem Druckkolben und einem Kolbenring bei einer Solltemperatur, sowie
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2 ein thermisches Ausgleichselement gemäß 1 unterhalb der Solltemperatur,
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3 eine Lageranordnung mit einem thermischen Ausgleichselement gemäß 1 bei der Solltemperatur.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt ein thermisches Ausgleichselement 1 für eine Lageranordnung in einer Schnittdarstellung bei einer Temperatur von T = 20°C. Das Ausgleichselement 1 umfasst einen ein Blechumformteil ausgebildeten Kolbenring 3 mit einer axialen Ausnehmung 5 auf. In der axialen Ausnehmung 5 ist ein Dehnungsmaterial 7 aus einem Elastomer aufgenommen.
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Die axiale Ausnehmung 5 des Kolbenrings 3 ist ringförmig mit zwei Axialstegen 9, 11 ausgebildet. Die Axialstege 9, 11 verlaufen achsparallel und sind als umlaufende Bunde ausgebildet, die die axiale Ausnehmung 5 in radialer Richtung begrenzen. Das Elastomer 7 ist entlang des ganzen Umfangs des Kolbenrings 3 in der axialen Ausnehmung 5 aufgenommen. Die Axialstege 9, 11 verlaufen achsparallel und sind als umlaufende Bunde ausgebildet.
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Das thermische Ausgleichselement 1 ist weiterhin mit einem Druckkolben 13 ausgebildet. Der Druckkolben 13 weist zwei axiale Anschläge 15, 17 auf, die durch dessen Stirnfläche 19 gebildet sind. Auch der Druckkolben 13 ist aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, wobei der Werkstoff den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie das Material des Kolbenrings 3. Auf diese Weise wird bei einer Temperaturänderung ein unerwünschtes Spiel zwischen den beiden Bauteilen 3, 13 verhindert.
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Weiterhin weist der Druckkolben 13 einen sich axial erstreckenden Steg 21 auf, über den der Druckkolben 13 axial verschiebbar in der Ausnehmung 5 des Kolbenrings 3 gelagert ist. Der vorbeschriebene Kolbenring 3 ermöglicht hierbei aufgrund seiner beiden achsparallelen Axialstege 9, 11 eine sichere axial verschiebbare Lagerung des in der Ausnehmung 5 aufgenommenen Stegs 21 des Druckkolbens 13.
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Bei der Solltemperatur ist der Druckkolben 13 über seine axialen Anschläge 15, 17 unmittelbar am Kolbenring 3 gegengelagert. Hierzu weist der Kolbenring 3 zwei Anlageflächen 23, 25 auf. Die Anlageflächen 23, 25 stellen jeweils einen entsprechenden Gegenanschlag des Kolbenrings 3 dar, an denen die axialen Anschläge 15, 17 zur Anlage kommen. Hierdurch wird verhindert, dass der Druckkolben 13 bei einer Temperaturverringerung unterhalb der Solltemperatur weiter in die Ausnehmung 5 des Kolbenrings 3 geschoben werden kann.
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Die Montage des Ausgleichselements 1 erfolgt bei einer Solltemperatur spielfrei. Die Solltemperatur ist insbesondere als Minimaltemperatur der Anwendung im Betrieb, wie beispielsweise –40°C gewählt.
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Der Druckkolben 13 ist sowohl über beide axialen Anschläge 15, 17 an den Gegenflächen 23, 25 des Kolbenrings 3, als auch über seinem in der Ausnehmung 5 axial verschiebbar gelagerten axialen Steg 21 am Elastomer 7 gegengelagert.
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2 zeigt das thermische Ausgleichselement 1 gemäß 1 bei einer Temperatur von T = –20°C. Zwar liegt im Vergleich zur Ausgestaltung in 1 eine Temperaturdifferenz von ΔT = 40°C vor, entsprechen die einzelnen Bauteile sowohl hinsichtlich ihrer Ausgestaltung als auch hinsichtlich ihrer Anordnung grundsätzlich denen gemäß 1. Somit kann die detaillierte Beschreibung von 1 sinngemäß auf 2 übertragen werden.
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Der wesentliche Unterschied des thermischen Ausgleichselements 1 zu dem in 1 ist vorliegend in der Ausdehnung des Elastomers 7 zu sehen. Das Elastomer 7 ist in der ringförmigen, zwischen den beiden Axialstegen 9, 11 ausgebildeten axialen Ausnehmung 5 des Kolbenrings 3 angeordnet. Allerdings füllt das Elastomer 7 die Ausnehmung 5 nicht mehr vollständig radial aus. Aufgrund der Temperaturdifferenz von ΔT = 40°C hat sich das Volumen des Elastomers 7 derart verringert, so dass es die axiale Ausnehmung 5 nur noch teilweise ausfüllt.
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Der axiale Steg 21 des Druckkolbens 13 ist aufgrund der Kontraktion des Elastomers 7 vollständig in der in der axialen Ausnehmung 5 des Kolbenrings 3 aufgenommen. Der Druckkolben 13 stützt sich hierbei lediglich und unmittelbar über seine beiden Axialanschläge 15, 17 an den Anlageflächen 23, 25 des Kolbenrings 3 ab. Ein Kontakt des Druckkolbens 13, bzw. des axialen Stegs 21 des Druckkolbens 13 im Sinne einer Gegenlagerung oder einer Abstützung am Elastomer 7 in der Ausnehmung 5 ist vorliegend nicht gegeben.
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Mit anderen Worten ist der Druckkolben 13 bei T = –20°C, also unterhalb der eigentlichen Soll- bzw. Betriebstemperatur, lediglich über seine axialen Anschläge 15, 17 unmittelbar am Kolbenring 5 gegengelagert.
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Das Vorgenannte gilt selbstverständlich auch für andere Temperaturen unterhalb der Solltemperatur, bei denen eine temperaturbedingte Kontraktion des Elastomers 7 zu verzeichnen ist.
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3 zeigt eine Lageranordnung 31 mit thermischem Ausgleichselement 1 bei der Solltemperatur T = 20°C. Die Lageranordnung 31 umfasst ein aus Aluminium gefertigtes Lagergehäuse 33, sowie ein innerhalb des Lagergehäuses 33 angeordnetes Lager 35. Das Lager 35 ist als ein angestelltes Kegelrollenlager mit einem inneren Lagerring 37 und einem äußeren Lagerring 39 ausgebildet. Die zwischen den Lagerringen 37, 39 angeordneten Wälzkörper 41 sind als angestellte Kegelrollen ausgebildet.
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Der innere Lagerring 37 ist drehfest auf einer aus Stahl gefertigten Welle 43 angeordnet. Der äußere Lagerring 39 steht hierbei an seinem Außenumfang über eine Kontaktfläche 45 mit der Innenseite des Lagergehäuses 33 in Kontakt.
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Bei einer Temperaturerhöhung im Betrieb eines Kraftfahrzeugs dehnt sich die Welle 43 weitaus weniger stark aus, als das aus Aluminium bestehende Lagergehäuse 33. Um die durch die Differenz der thermischen Ausdehnung von Stahl und Aluminium resultierende Längenausdehnung übernehmbar an den Lagerstellen zu kompensieren, ist in der Lagerordnung 31 ein thermisches Ausgleichselement 1 gemäß den 1 und 2 eingesetzt. Vorliegend ist die Darstellung mit dem thermischen Ausgleichselement 1 bei der Solltemperatur T = 20°C gezeigt.
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Der äußere Lagerring 39 des Lagers 35 liegt an einer Kontaktfläche 47 des Kolbenrings 3 des thermischen Ausgleichselements 1 an. In der axialen Ausnehmung 5 des Kolbenrings 3, die ringförmig zwischen dessen zwei Axialstegen 9, 11 ausgebildet ist, ist das Elastomer 7 zur Kompensation der Längenausdehnung bei Temperaturerhöhung im Betreibe eines Kraftfahrzeugs aufgenommen.
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Der Druckkolben 13 des thermischen Ausgleichselements 1 ist mit seinem axialen Steg 21 axial verschiebbar in der Ausnehmung 5 gelagert. Rückseitig ist der Druckkolben 13 über eine Kontaktfläche 49 am Lagergehäuse 33 abgestützt. Die axiale verschiebbare Lagerung des Druckkolbens 13 bleibt auch bei einer maximalen Temperaturerhöhung im Betrieb des Kraftfahrzeugs gewährleistet. Die durch dessen Stirnfläche 19 gebildeten axialen Anschläge 15, 17 sind an den Anlageflächen 23, 25 des Kolbenrings 3 gegengelagert. Weiterhin stützt sich bei der Solltemperatur von T = 20°C der Druckkolben 13 mit seinem axialen Steg 21 am Elastomer 7 ab.
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Bei einer Verringerung der Temperatur unterhalb der Solltemperatur von T = 20°C zieht sich das Material des Lagergehäuses 33, also das Aluminiums, zusammen. Hierbei drückt es zum einen über die Kontaktfläche 45 radial nach innen gegen den äußeren Lagerring 39 des Lagers 35. In axialer Richtung drückt das Lagergehäuse 33 über die Kontaktfläche 47 des Kolbenrings 3 und über die Kontaktfläche 49 des Druckkolbens 13 gegen den äußeren Lagerring 39. Hierdurch wird eine gewünscht geringe, aber konstante Vorspannung an der Lagerstelle erreicht.
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Allerdings werden bei der Temperaturverringerung auch Luft und Öl in die Ausnehmung 5 des Kolbenrings 3 des Ausgleichselements 1 gesogen, da das kontrahierte Elastomer 7 den Druckbereich, also die Ausnehmung 5 des Kolbenrings 3 nicht mehr radial ausfüllt.
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Um trotz der Beeinflussung des Systems durch Luft und Öl bei einer sich anschließenden Temperaturerhöhung dennoch eine proportionale Ausdehnung des thermischen Ausgleichselements 1 zu ermöglichen und damit eine undefinierte Vorspannung im Bereich unterhalb der Solltemperatur zu verhindern, ist das Lagergehäuse 33 in diesem Temperaturbereich über die axialen Anschläge 15, 17 des Druckkolbens 13 am äußeren Lagerring 39 gegengelagert.
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Somit kann durch den Einsatz des thermischen Ausdehnungselements 1 auch bei Bauteile aus verschiedenen Materialien, wie dem Lagergehäuse 33 und der Welle 43, ein unterschiedliches Ausdehnungsverhalten kompensiert, die benötigte Vorspannung aufrecht erhalten und damit eine präzise Lagerung der Welle 43 gewährleistet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Thermisches Ausgleichselement
- 3
- Kolbenring
- 5
- Ausnehmung
- 7
- Dehnungsmaterial
- 9
- Axialsteg
- 11
- Axialsteg
- 13
- Druckkolben
- 15
- Anschlag
- 17
- Anschlag
- 19
- Stirnfläche
- 21
- Steg
- 23
- Anlagefläche
- 25
- Anlagefläche
- 31
- Lageranordnung
- 33
- Gehäuse
- 35
- Lager
- 37
- innerer Lagerring
- 39
- äußerer Lagerring
- 41
- Wälzkörper
- 43
- Welle
- 45
- Kontaktfläche
- 47
- Kontaktfläche
- 49
- Kontaktfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007044616 A1 [0005]
