DE102011083508A1

DE102011083508A1 - Einheit mit Außenteil und darin zentriert gelagertem Innenteil aus Materialien mit verschiedener Wärmeausdehnung

Info

Publication number: DE102011083508A1
Application number: DE201110083508
Authority: DE
Inventors: Kim Führer
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-03-28

Abstract

Die Einheit (16) umfasst eine Mittenlängsachse (4), ein Außenteil (2) und ein in dem Außenteil (2) in Bezug auf die Mittenlängsachse (4) zentriert gelagertes Innenteil (3). Das Außenteil (2) besteht aus mindestens einem Außenteilmaterial mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten. Das Innenteil (3) besteht aus mindestens einem Innenteilmaterial mit einem vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedenen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten. Zur Lagerung des Innenteils (3) innerhalb des Außenteils (2) sind ein erster Lagersitz (5) und ein zweiter Lagersitz (6) vorgesehen. Der erste und der zweite Lagersitz (5, 6) sind durch einen axialen Abstand (L) voneinander beabstandet. Der erste Lagersitz (5) hat eine erste Lagersitzfläche (14) mit einem ersten Neigungswinkel (β1) in Bezug auf die Mittenlängsachse (4). Der zweite Lagersitz (6) hat eine zweite Lagersitzfläche (15) mit einem zweiten Neigungswinkel (β2) in Bezug auf die Mittenlängsachse (4). Mindestens eine der beiden Lagersitzflächen (14, 15) ist konisch. Die beiden Neigungswinkel (β1, β2) unterscheiden sich voneinander.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einheit mit einer Mittenlängsachse, einem Außenteil und einem in dem Außenteil in Bezug auf die Mittenlängsachse zentriert gelagerten Innenteil, wobei das Außenteil aus mindestens einem Außenteilmaterial mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und das Innenteil aus mindestens einem Innenteilmaterial mit einem vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedenen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht.
Es gibt technische Anwendungsfälle, bei denen zwei Bauteile aus verschiedenem Material bzw. mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten zueinander zentriert zu platzieren und zu lagern sind. Ein Beispiel hierfür ist die Lagerung eines Statorträgers einer elektrischen Maschine in einem Gehäuse. Üblicherweise besteht der Statorträger aus einem Stahl und hat einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das aus Aluminium gefertigte Gehäuse, in dem der Statorträger bezogen auf eine Mittenlängsachse zentriert gelagert ist. Der Statorträger ist im Wesentlichen ein Stahlring, der sich vor allem bei hohen Temperaturen bzw. bei hohen Temperaturunterschieden während des Betriebs nicht oder nur mit sehr großem technischen Aufwand in einem Aluminiumgehäuse zentriert lagern lässt. Bei einer hohen Temperatur wird der Innendurchmesser des Aluminiumgehäuses aufgrund des größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten größer als der Außendurchmesser des Stahl-Statordurchmessers.
Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, ist es bekannt, den Stahlring des Statordurchmessers bei niedrigen Temperaturen in das Aluminiumgehäuse einzupressen, so dass die Zentrierwirkung auch noch bei hohen Temperaturen vorhanden ist. Je größer der Durchmesser ist, umso stärker wirken sich die Unterschiede aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung des Stahl-Statorträgers und des Aluminiumgehäuses aus. Ab einer bestimmten Durchmessergröße lassen sich die beiden Bauteile nicht mehr so stark gegeneinander verpressen, dass die Zentrierwirkung auch noch bei hohen Temperaturen erhalten bleibt. An der Streckgrenze fängt das Aluminium bei niedrigen Temperaturen an zu fließen.
Eine bei hohen Temperaturen unzureichende Zentrierwirkung ist für den Betrieb einer elektrischen Maschine unerwünscht, da der Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor stets gleich und vor allem erhalten bleiben sollte. Insofern ist die Zentrierung des Rotors innerhalb des Stators für die Funktionsfähigkeit der elektrischen Maschine von hoher Bedeutung. Diese Zentrierung ist aber nicht mehr ausreichend gewährleistet, wenn der Stator seinerseits nicht exakt zentriert innerhalb des Gehäuses gelagert ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Einheit der eingangs bezeichneten Art anzugeben, bei der die zentrierte Lagerung des Innenteils innerhalb des Außenteils auch über einen großen Temperaturbereich gegeben ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Einheit entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Bei der Einheit mit dem im Außenteil zentriert gelagerten Innenteil und den verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Außen- und Innenteil handelt es sich um eine Einheit, bei der zur Lagerung des Innenteils innerhalb des Außenteils ein erster Lagersitz und ein zweiter Lagersitz vorgesehen sind, der erste und der zweite Lagersitz durch einen axialen Abstand voneinander beabstandet sind, der erste Lagersitz eine erste Lagersitzfläche mit einem ersten Neigungswinkel in Bezug auf die Mittenlängsachse und der zweite Lagersitz eine zweite Lagersitzfläche mit einem zweiten Neigungswinkel in Bezug auf die Mittenlängsachse hat, mindestens eine der beiden Lagersitzflächen konisch ist, und sich die beiden Neigungswinkel voneinander unterscheiden.
Aufgrund der beiden axial voneinander beabstandeten Lagersitze, deren Lagersitzflächen bezogen auf die Mittenlängsachse verschiedene Neigungswinkel haben, lässt sich mit vergleichsweise einfachen Maßnahmen über einen weiten Temperaturbereich eine sehr gute zentrierte Lagerung des Innenteils innerhalb des Außenteils erreichen. Die konische Ausgestaltung zumindest einer der beiden Lagersitzflächen gestattet eine Relativbewegung zwischen den beiden Bauteilen längs der Lagersitzfläche, wenn es zu temperaturbedingten unterschiedlichen Ausdehnungen der Bauteile in radialer und/oder axialer Richtung kommt. Unter „axial” wird hierbei eine Richtung parallel zur Mittenlängsachse verstanden, wohingegen „radial” eine Richtung senkrecht zur Mittenlängsachse bezeichnet. Die an den Lagersitzen aufeinandertreffenden Bauteile dehnen sich bei Temperaturschwankungen nicht nur in radialer Richtung unterschiedlich aus, was einen direkten Einfluss auf den Kontakt zwischen den Bauteilen im Bereich der Lagersitzflächen hat. Hinzu kommt ein Unterschied bei der Längsausdehnung des axialen Abstands zwischen den beiden Lagersitzen. Diese unterschiedliche Längsausdehnung des Außenteils und des Innenteils könnten ohne Gegenmaßnahme zu einem klaffenden Spalt oder zu einer unerwünscht starken Axialverspannung zwischen den beiden Bauteilen im Bereich der Lagersitzflächen führen. Um dies zu vermeiden, weisen die beiden Lagersitzflächen verschiedene Neigungswinkel auf. Die Differenz zwischen den beiden Neigungswinkeln ist insbesondere deshalb vorgesehen, um die unterschiedliche Längsausdehnung des axialen Abstands zwischen den beiden Lagersitzen zu kompensieren.
Insgesamt wird also ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten des Außen- und des Innenteils sowohl in radialer als auch in axialer Richtung durch die mindestens eine konische, d. h. kegelförmige oder kegelstumpfförmige, Lagersitzfläche und die Differenz zwischen den beiden Neigungswinkeln ausgeglichen. Diese Kompensation liegt über einen sehr weiten Temperaturbereich vor, so dass das Innenteil stets in der gewünschten Weise zentriert innerhalb des Außenteils gelagert ist. Die für diese sehr effiziente temperaturkompensierte zentrierte Lagerung erforderlichen Designmaßnahmen sind einfach zu realisieren. Konische Sitzflächen lassen sich ebenso wie unterschiedliche Neigungswinkel ohne Probleme herstellen. Insbesondere können das Außenteil und das Innenteil jeweils ein- oder mehrteilig ausgebildet sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einheit ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der der erste Lagersitz zwischen einem insbesondere lösbar am Außenteil angebrachten Sitzring und dem Innenteil gebildet ist, wobei der Sitzring insbesondere aus dem Außenteilmaterial oder einem der Außenmaterialien besteht. Bei entferntem Sitzring kann das Innenteil in das Außenteil eingesetzt werden. Durch anschließendes Einsetzen des Sitzrings wird die Einheit komplettiert und insbesondere auch der erste Lagersitz gebildet. Der Sitzring besteht bevorzugt aus dem gleichen Material wie das Außenteil und hat damit auch das gleiche thermische Ausdehnungsverhalten. Grundsätzlich kann der Sitzring aber auch aus einem Material bestehen, das sich sowohl von dem/den Außenteilmaterial/ien als auch von dem/den Innenteilmaterial/ien unterscheidet. Bei einer anderen alternativen Ausgestaltung ist das Außenteil zweigeteilt, so dass die außenteilseitige Kontaktfläche des ersten Lagersitzes zusammen mit dem einen Teil des Außenteils zum Einsetzen des Innenteils entfernt werden kann. Dieser entfernbare Teil des Außenteils kann dann als Sitzring verstanden werden.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist zwischen dem Sitzring und dem Außenteil eine Abstandsscheibe angeordnet. Diese Abstandsscheibe hat eine insbesondere wählbare axiale Abmessung, um einen gewünschten Abstand zwischen dem Sitzring und dem Außenteil einzustellen. Bei der Montage der Einheit wird das Innenteil probeweise in das Außenteil eingesetzt und mit dem später vorgesehenen Verspannungsdruck beaufschlagt, um in diesem Zustand den Abstand zu messen, der zwischen dem Sitzring und dem Außenteil zur Erzielung des gewünschten Pressverbands erforderlich ist. Anhand dieses Messwerts wird dann die Dicke (= axiale Ausdehnung) der Abstandsscheibe festgelegt.
Günstig ist eine weitere Ausgestaltung, bei der die Dimensionierung der Neigungswinkel gemäß der in Anspruch 4 angegebenen Formelbeziehung erfolgt. Gemäß dieser Berechnungsvorschrift besteht eine Abhängigkeit von den mittleren Radien der beiden Lagersitzflächen sowie von den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Außenteils, des Innenteils und des Sitzrings. Für die mittleren Radien und für den axialen Abstand zwischen den beiden Lagersitzen werden Werte entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls gewählt. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten sind vorgegebene Materialkonstanten. Dann lassen sich die beiden Neigungswinkel bestimmen, beispielsweise indem der erste Neigungswinkel auf einen gewünschten Wert gesetzt wird und der zweite Neigungswinkel anhand der Formelbeziehung ermittelt wird. Am günstigsten ist es, wenn die in Anspruch 4 genannte Formelbeziehung genau den Wert des axialen Abstands annimmt. Dann ist eine weitgehend temperaturunabhängige Kompensation des Wärmeausdehnungsverhaltens erreicht. Allerdings wird auch dann noch ein sehr gutes Kompensationsverhalten erreicht, wenn die in Anspruch 4 angegebene Formelbeziehung einen Wert zwischen dem 0,5-fachen und dem 1,5-fachen des axialen Abstands, insbesondere zwischen dem 0,7-fachen und dem 1,3-fachen des axialen Abstands und vorzugsweise zwischen dem 0,85-fachen und dem 1,15-fachen des axialen Abstands annimmt. Die in der Formelbeziehung gemäß Anspruch 4 angegebenen Parameter sind dabei auf die Bedingungen bei einer Referenztemperatur, insbesondere bei der Raumtemperatur, bezogen. Ein Spezialfall ergibt sich, wenn das Außenteil und der Sitzring aus dem gleichen Material bestehen und insbesondere den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Dann entfällt die Abhängigkeit von den Wärmeausdehnungskoeffizienten, da der dementsprechende Produktterm dann den Wert 1 annimmt.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung sind beide Lagersitzflächen konisch. Eine konische Lagersitzfläche ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der zugehörige Neigungswinkel spitz ist. Bei der Ausgestaltung mit zwei konischen Lagersitzflächen öffnen sich die zugehörigen Neigungswinkel der Lagersitzflächen insbesondere zur gleichen axialen Stirnseite der Einheit hin. Bei zwei konischen Lagersitzflächen ergibt sich eine sehr gute und vor allem auch über den gesamten Temperaturbereich gegebene radiale Lagerung und Abstützung an zwei Stellen, nämlich am Ort der beiden Lagersitze.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung hat eine der beiden Lagersitzflächen einen Neigungswinkel von 90°. Die andere Lagersitzfläche ist dagegen konisch ausgebildet. Auch bei dieser Ausgestaltung ist die günstige Kompensation des Wärmeausdehnungsverhaltens der beteiligten Bauteile gegeben. Eine mit einem rechtwinkligen Neigungswinkel versehene Lagersitzfläche lässt sich einfach herstellen. Außerdem hat eine solche Lagersitzfläche nur einen relativ geringen Platzbedarf. Dies ist dann von Vorteil, wenn für die Einheit insgesamt nur ein geringes Bauvolumen, insbesondere in axialer Richtung, zur Verfügung steht. An einer rechtwinkeligen Lagersitzfläche kommt es zu keinen axialen Relativbewegungen. Dies ist z. B. bei einer Ausbildung des Innenteils als Statorträger einer elektrischen Maschine besonders günstig. Der Statorträger nimmt auch die elektrischen Spulenwindungen auf. Die Spulenleitungen sind mittels Leitungsverbindungen mit dem elektrischen Versorgungsnetz verbunden. Für die Funktionssicherheit dieser Leitungsverbindungen ist es vorteilhaft, wenn keine axialen Relativbewegungen auftreten.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung beträgt der axiale Abstand zwischen dem ersten Lagersitz und dem zweiten Lagersitz mindestens 25% eines mittleren Durchmessers (= doppelten mittleren Radius) der ersten oder der zweiten Lagersitzfläche. Die vorstehend genannte günstige Kompensationswirkung kommt – nicht nur – aber vor allem dann zur Geltung, wenn die Einheit eine gewisse axiale Ausdehnung aufweist. Dann machen sich die Unterschiede zwischen der Längsausdehnung des Außenteils und derjenigen des Innenteils deutlicher bemerkbar.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist das mindestens eine Außenmaterial Aluminium oder ein Material mit einem Aluminiumanteil. Alternativ kann das mindestens eine Außenteilmaterial auch Magnesium oder ein Material mit einem Magnesiumanteil sein. Dadurch wird ein geringes Gewicht des Außenteils und auch der Einheit insgesamt erreicht. Außerdem lässt sich das Außenteil aus den genannten Materialien kostengünstig herstellen.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist das mindestens eine Innenteilmaterial Stahl oder ein Material mit einem Stahlanteil. Damit kann Forderungen nach einer hohen mechanischen Stabilität und Festigkeit entsprochen werden. Das Innenteil lässt sich ebenfalls kostengünstig aus solchen Materialien herstellen.
Gemäß weiteren günstigen Ausgestaltungen kommt die Einheit bei einer elektrischen Maschine (z. B. E-Motor oder elektrodynamischer Generator) oder bei einer Lageranwendung zum Einsatz. Weitere Anwendungsfälle sind ebenfalls möglich. Insbesondere ist das Innenteil ein Statorträger einer elektrischen Maschine oder ein Außenring eines Wälzlagers, insbesondere eines Nadellagers, oder eine mittels Wälzlagern drehbar gelagerte Welle. Bei diesen Anwendungsfällen kann das Außenteil dann insbesondere ein Gehäuse, beispielsweise ein Getriebegehäuse, sein. Die über einen weiten Temperaturbereich gegebene Kompensation des Wärmeausdehnungsverhaltens ist bei den angegebenen Anwendungsfällen besonders vorteilhaft und führt dazu, dass auf andere, sehr viel aufwändigere Maßnahmen zum Ausgleich von temperaturbedingten Veränderungen der Bauteilabmessungen weitestgehend verzichtet werden kann. Bei der Ausgestaltung des Innenteils als drehbar gelagerte Welle ist das Innenteil insbesondere mehrteilig ausgeführt. Es umfasst dann die Welle sowie die Lagerkomponenten.
Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Einheit angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Erfindungsgegenstands keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungsfiguren. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Einheit mit einem Gehäuse als Außenteil und einem Statorträger einer elektrischen Maschine als Innenteil in einer Längsschnittdarstellung,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer ähnlichen Einheit wie derjenigen von 1 ebenfalls in einer ausschnittsweisen Längsschnittdarstellung, und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einheit mit einem Gehäuse als Außenteil und einer mittels Wälzlagern drehbar gelagerten Welle als Innenteil in einer Längsschnittdarstellung.
Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch Einzelheiten der im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiele können für sich genommen eine Erfindung darstellen oder Teil eines Erfindungsgegenstands sein.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Einheit 1 mit einem als Gehäuse ausgebildeten Außenteil 2 und einem zentriert darin gelagerten Innenteil 3 in Form eines Statorträgers einer elektrischen Maschine dargestellt. Das Außenteil 2 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Getriebegehäuse. Die elektrische Maschine, zu der der Statorträger (= Innenteil 3) gehört, befindet sich zwischen einem nicht näher gezeigten Verbrennungsmotor und einem ebenfalls nicht dargestellten Schaltgetriebe. Die elektrische Maschine ist also Bestandteil eines Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug.
Das Außenteil 2 ist aus Aluminium hergestellt. Dagegen besteht das Innenteil 3 als Statorträger der elektrischen Maschine aus Stahl. Beide Bauteile 2 und 3 haben demnach ein unterschiedliches Wärmeausdehnungsverhalten.
Das Außenteil 2 hat einen hohlzylindrischen Aufnahmeraum, in den das Innenteil 3, das einen im Wesentlichen zylinderförmigen Außenumfang aufweist, eingesetzt ist. Dabei wird das Innenteil 3 zentriert in Bezug auf eine Mittenlängsachse 4 der Einheit 1 gelagert. Hierzu sind an beiden axialen Stirnseiten des Innenteils 3 ein erster Lagersitz 5 (in der Abbildung von 1 auf der linken Seite angeordnet) und ein zweiter Lagersitz 6 (in der Abbildung gemäß 1 auf der rechten Seiten angeordnet) vorgesehen.
Das Innenteil 3 nimmt als Statorträger die weiteren Komponenten der elektrischen Maschine auf. So ist insbesondere ein Blechpaket 7 des Stators 8 der elektrischen Maschine in das Innenteil 3 eingepresst. In dem Blechpaket 7 sind, wie üblich, die Leitungen der Statorwicklungen angeordnet. Der Leitungsverlauf ist in der Abbildung gemäß 1 nicht näher dargestellt. Hierbei handelt es sich aber ebenso wie bei den weiteren Komponenten der elektrischen Maschine, auf die hier nicht näher eingegangen wird, um übliche Ausgestaltungen.
An der axialen Stirnseite des Außenteils 2, von der aus das Innenteil 3 in das Außenteil 2 einzuführen ist, ist ein Sitzring 9 vorgesehen. Der Sitzring 9 ist mittels Schrauben 10 lösbar an dem Außenteil 2 angebracht. Zwischen einer axialen Anlagefläche 11 des Außenteils 2 und einer korrespondierenden Gegenanlagefläche 12 des Sitzrings 9 ist eine Abstandsscheibe 13 platziert. Die Dicke der Abstandsscheibe 13 ist frei wählbar. Sie wird so dimensioniert, dass der Sitzring 9 in der gewünschten axialen Position innerhalb des Außenteils 2 angeordnet ist. Zur Ermittlung der erforderlichen axialen Ausdehnung (= Dicke) der Abstandsscheibe 13 wird das Innenteil 3 in das Außenteil 2 eingesetzt und mit einer in axialer Richtung, d. h. in Richtung der Mittenlängsachse 4, wirkenden Last beaufschlagt, so dass eine ähnliche Kraft auf das Innenteil 3 wirkt wie später im endmontierten Zustand aufgrund der Anzugskraft der Schrauben 10. In diesem mit einer Testlast beaufschlagten Zustand wird die axiale Position ermittelt, an der im endmontierten Zustand der Sitzring 9 platziert sein sollte. Aus dieser ermittelten Sollposition für den Sitzring 9 kann dann die gesuchte Dicke der Abstandsscheibe 13 ermittelt werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass nach der Endmontage des Sitzrings 9 unter Verwendung der Abstandsscheibe 13 das Innenteil 3 (= Statorträger) ohne Spiel und mit der gewünschten Verspannung in das Außenteil 2 (= Gehäuse) eingepresst ist.
Wie bereits ausgeführt, wird in das als Statorträger ausgebildete Innenteil 3 Statorblechpaket 7 eingepresst. Der Außendurchmesser des Statorblechpakets 7 hat eine relativ große Toleranz, weil die einzelnen Bleche zu einem Paket komplettiert werden und dabei allerdings nicht exakt aufeinander zum Liegen kommen. Um hier eine den Vorgaben entsprechenden Pressverband zu gewährleisten, wird das Statorblechpaket 7 mit einer sehr hohen Presskraft in den Statorträger (= Innenteil 3) eingepresst. Dadurch werden auch die Abmessungen der Kontaktflächen des Statorträgers (= des Innenteils 3), die die beiden Lagersitze 5 und 6 mit bilden und die örtlich sehr nahe an diesem Pressverband angeordnet sind, mit beeinflusst. Über den vorstehend beschriebenen Messprozess und die Verwendung der ihrer Dicke dementsprechend angepassten Abstandsscheibe 13 können diese Schwankungen ausgeglichen werden, ohne dass eine mechanische Nacharbeitung erforderlich ist. Der Statorträger (= Innenteil 3) kann dann trotzdem sehr exakt innerhalb des Außenteils 2 (= Gehäuse) zentriert werden.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der Sitzring 9 ebenso wie die Abstandsscheibe 13 und auch die Schrauben 10 aus dem gleichen Material wie das Außenteil 2, also aus Aluminium. Diese Komponenten haben also das gleiche Wärmeausdehnungsverhalten wie das Außenteil 2. Diese Materialwahl, insbesondere für den Sitzring 9, ist nur beispielhaft zu verstehen. Grundsätzlich kann z. B. für den Sitzring 9 auch ein anderes Material verwendet werden.
Die beiden Lagersitze 5 und 6 sind Kegelsitze. Sie haben jeweils konische Lagersitzflächen 14 bzw. 15. Der erste Lagersitz 5 wird durch den Sitzring 9 und das Innenteil 3 gebildet. Hierzu ist am Sitzring 9 eine nicht näher bezeichnete konische oder kegelstumpfförmige Ringanlagefläche und am Innenteil 3 eine korrespondierende ebenfalls nicht näher bezeichnete hohlkegelförmige Innenteilanlagefläche vorgesehen. Der zweite Lagersitz 6 ist zwischen dem Innenteil 3 und dem Außenteil 2 gebildet. Hierzu ist an dem Innenteil 3 eine konische oder kegelstumpfförmige (nicht näher bezeichnete) Innenteilanlagefläche und an dem Außenteil 2 eine hohlkegelförmige (nicht näher bezeichnete) Außenteilanlagefläche vorgesehen.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einheit 16 dargestellt, die in weiten Teilen der Einheit 1 gemäß 1 ähnelt. Deshalb sind die korrespondierenden Einzelkomponenten der Einheit 16 auch mit den gleichen Bezugszeichen wie bei der Einheit 1 versehen.
In der Darstellung gemäß 2 sind zusätzlich geometrische Parameter mit eingetragen. Ein mittlerer Radius der ersten Lagersitzfläche 14 ist mit R1, ein mittlerer Radius der zweiten Lagersitzfläche 15 mit R2 und ein axialer Abstand zwischen den axialen Positionen innerhalb des ersten Lagersitzes 5 mit dem mittleren Radius R1 und der axialen Position innerhalb des zweiten Lagersitzes 6 mit dem mittleren Radius R2 mit L bezeichnet. Ein Neigungswinkel der konischen ersten Lagersitzfläche 14 gegenüber der Mittenlängsachse 4 ist mit β1 und ein Neigungswinkel der konischen zweiten Lagersitzfläche 15 gegenüber der Mittenlängsachse 4 mit β2 bezeichnet. Beide Neigungswinkel β1 und β2 sind spitz. Sie öffnen sich zur gleichen axialen Stirnseite der Einheit 16. Die Neigungswinkel β1 und β2 sind verschieden.
Aufgrund dieser Designmaßnahmen ergibt sich eine über einen weiten Temperaturbereich gegebene Kompensation des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens des Innenteils 3 einerseits und des Außenteils 2 sowie des Sitzrings 9 und – in gewissen Grenzen – auch der Abstandsscheibe 14 andererseits. Diese vorteilhafte Kompensationswirkung wird im Folgenden erläutert.
Die aus Aluminium bestehenden Bauteile haben einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das aus Stahl bestehende Innenteil 3. Deshalb verändern sich die Abmessungen der Bauteile mit der Temperatur unterschiedlich. Ohne geeignete Kompensationsmaßnahmen würde die zentrierte Lagerwirkung der Lagersitze 5 und 6 bei veränderten Temperaturbedingungen nicht mehr den ursprünglichen Vorgaben entsprechen. Es könnte entweder eine zu lose Kontaktierung mit einem unerwünschten Sitzspiel oder aber eine zu stark verpresste Kontaktierung mit einer unerwünscht hohen Verspannung resultieren.
Die zentrierte Lagerung des Innenteils 3 in dem Außenteil 2 mittels der konischen Lagersitze 5 und 6 verhält sich bei einer Temperaturerhöhung wie folgt:
Der Sitzring 9 wird am Ort des mittleren Radius R1 größer als das Innenteil 3 am Ort des mittleren Radius R1. Aufgrund des Neigungswinkels β1 wird das Innenteil 3 auf dem Sitzring 9 abrutschen und axial in Richtung des zweiten Lagersitzes 6 (in der Abbildung nach rechts) wandern. Das Innenteil 3 wird also vom größer werdenden Sitzring 9 verdrängt.
Am Ort des zweiten Kegelsitzes 6 wird das Außenteil 2 an der Stelle des mittleren Radius R2 größer als das Innenteil 3 am Ort des mittleren Radius R2. Für das Innenteil 3 entsteht also mehr Platz auf der von dem ersten Lagersitz 5 abgewandten Seite des zweiten Lagersitzes 6. In diesen zusätzlichen Freiraum kann das Innenteil 3 von dem Sitzring 9 hineingeschoben werden.
Der axiale Abstand L zwischen den axialen Lagersitzpositionen mit den mittleren Radien R1 und R2 ist eine gemeinsame Strecke des Außenteils 2 und des Innenteils 3. Innerhalb dieses Abstands L befindet sich also das Aluminiummaterial des Außenteils 2 mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten und parallel dazu angeordnet auch das Stahlmaterial des Innenteils 3 mit dem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Damit dehnt sich das Außenteil 2 axial weiter aus als das Innenteil 3. Als Folge könnten sich an den Lagersitzen 5 und 6 Spalte zwischen den jeweiligen Anlageflächen des Innenteils 3 einerseits und des Sitzrings 9 bzw. des Außenteils 2 andererseits bilden. Dem wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch entgegengewirkt, dass für die beiden Lagersitze 5 und 6 jeweils voneinander verschiedene Neigungswinkel β1 und β2 gewählt werden. Insbesondere ist der Neigungswinkel β1 des ersten Lagersitzes 5 spitzer ausgeführt als der Neigungswinkel β2 des zweiten Lagersitzes 6. Dadurch wird das Innenteil 2 am ersten Lagersitz 5 stärker verdrängt als das Innenteil 3 in den zweiten Lagersitz 6 hineingeschoben wird. Dieser Unterschied dient zum Ausgleich der unterschiedlichen Längsausdehnung des Außenteils 2 und des Innenteils 3. Bei entsprechender Dimensionierung der beiden Neigungswinkel β1 und β2 in Bezug zu der Länge L des axialen Abstands kann die angesprochene Spaltbildung aufgrund des unterschiedlichen Längenausdehnungsverhaltens über einen weiten Temperaturbereich im Wesentlichen vollständig kompensiert werden. Das Innenteil 3 wird dann vom ersten Lagersitz 5 genauso viel mehr verdrängt wie das Außenteil 2 sich mehr als das Innenteil 3 in axialer Richtung (also in Längsrichtung) ausdehnt. Die für eine derartige Kompensationswirkung besonders günstige Dimensionierung der Neigungswinkel β1 und β2 ergibt sich aus den folgenden Überlegungen:
Die Radien R1 und R2 haben Temperaturabhängigkeiten gemäß: R1R(T) = R1·(1 + αR·ΔT) R1S(T) = R1·(1 + αS·ΔT) R2G(T) = R2·(1 + αG·ΔT) R2S(T) = R2·(1 + αS·ΔT), wobei R1R für den temperaturabhängigen mittleren Radius der Ringanlagefläche des Sitzrings 9 im ersten Lagersitz 5, R1S für den temperaturabhängigen mittleren Radius der Innenteilanlagefläche des Innenteils 3 im ersten Lagersitz 5, R2G für den temperaturabhängigen mittleren Radius der Außenteilanlagefläche des Außenteils 2 im zweiten Lagersitz 6, R2S für den temperaturabhängigen mittleren Radius der Innenteilanlagefläche des Innenteils 3 im zweiten Lagersitz 6, T für die aktuelle Temperatur, ΔT = T – T0 für die Temperaturdifferenz zwischen der aktuellen Temperatur T und der Referenztemperatur T0, αG für den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Außenteils 2, αS für den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Innenteils 3 und αR für den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sitzrings 9 jeweils bei der Referenztemperatur T0 steht.
Für den axialen Abstand L sind folgende Temperaturabhängigkeiten maßgeblich: LG(T) = L·(1 + αG·(ΔT)) LS(T) = L·(1 + αS·(ΔT)), wobei LG für den temperaturabhängigen axialen Abstand im Außenteil 2 zwischen den axialen Positionen innerhalb des ersten Lagersitzes 5 mit dem mittleren Radius R1 und der axialen Position innerhalb des zweiten Lagersitzes 6 mit dem mittleren Radius R2 und LS für den temperaturabhängigen axialen Abstand im Innenteil 3 zwischen den axialen Positionen innerhalb des ersten Lagersitzes 5 mit dem mittleren Radius R1 und der axialen Position innerhalb des zweiten Lagersitzes 6 mit dem mittleren Radius R2 steht.
Der temperaturabhängige radiale Abmessungsunterschied im ersten Lagersitz 5 ist: Δ1_radial(T) = R1R(T) – R1S(T)
Der temperaturabhängige radiale Abmessungsunterschied im zweiten Lagersitz 6 ist: Δ2_radial(T) = R2G(T) – R2S(T)
Der temperaturabhängige axiale Abmessungsunterschied im ersten Lagersitz 5 ist:
Der temperaturabhängige axiale Abmessungsunterschied im zweiten Lagersitz 6 ist:
Der temperaturabhängige axiale Abmessungsunterschied des axialen Abstands L im Vergleich zwischen dem Außenteil 2 und dem Innenteil 3 ist: ΔL(T) = LG(T) – LS(T)
Sollen sich alle axialen Abmessungsunterschiede gegenseitig aufheben, kann folgende Forderung aufgestellt werden: Δ1_axial(T) – Δ2_axial(T) – ΔL(T) → 0 und daraus unter Berücksichtigung der vorstehenden Beziehungen sowie der exakten Kompensationsforderung:
Die Temperaturabhängigkeit entfällt. Maßgeblich ist nur der zweite Produktterm, der sich zu folgender Kompensationsgleichung umformen lässt: (αR – αS) / (αG – αS)· R1 / tanβ1 – R2 / tanβ2 = L (1)
Anhand von Gleichung (1) können die Werte der Neigungswinkel β1 und β2 in Abhängigkeit von den übrigen Geometrieparametern R1, R2 und L sowie von den Wärmeausdehnungskoeffizienten αR, αS und αG ermittelt werden. Ein Spezialfall ergibt sich, wenn für den Sitzring 9 das gleiche Material mit dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten αG verwendet wird wie für das Außenteil 2. Dann entfällt die Abhängigkeit von den Wärmeausdehnungskoeffizienten αR, αS und αG. Es resultiert die vereinfachte Dimensionierungsvorschrift: R1 / tanβ1 – R2 / tanβ2 = L (2)
Die Gleichungen (1) und (2) geben jeweils den Idealfall an. Eine sehr gute Kompensation des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens der verschiedenen Bauteile ergibt sich auch dann noch, wenn die Vorschriften der Gleichungen (1) und (2) nicht exakt, sondern nur mit einer gewissen Abweichung vom Wert des axialen Abstands L erfüllt sind. So können die Ergebnisse der Gleichungen (1) und (2) auch Werte zwischen dem 0,5-fachen und dem 1,5-fachen des axialen Abstands L, insbesondere zwischen dem 0,7-fachen und dem 1,3-fachen des axialen Abstands L und vorzugsweise zwischen dem 0,85-fachen und dem 1,15-fachen des axialen Abstands L annehmen.
Die folgenden beiden Dimensionierungsbeispiele wurden anhand der exakten Vorschrift gemäß Gleichung (2) ermittelt.
Bei dem ersten Dimensionierungsbeispiel sind folgende Parameter vorgegeben: R1 = 142 mm, R2 = 140 mm, L = 80 mm. Diese Angaben beziehen sich jeweils auf die Referenztemperatur, im vorliegenden Fall auf die Raumtemperatur. Das Außenteil 2 und der Sitzring 9 bestehen jeweils aus Aluminium. Das Innenteil 3 besteht aus Stahl. Wählt man bei diesen Vorgaben den ersten Neigungswinkel β1 mit 50°, ergibt sich aus der Berechungsvorschrift gemäß Gleichung (2) für den zweiten Neigungswinkel β2 ein Wert von 74,376°. Mit diesen Werten stellt sich die oben angesprochene günstige Kompensationswirkung ein. Die Lagerung des Innenteils 3 innerhalb des Außenteils 2 ist dann über einen sehr weiten Temperaturbereich stets zentriert.
Bei dem zweiten Dimensionierungsbeispiel gelten die gleichen Material- und Geometrieparameter wie bei dem ersten Dimensionierungsbeispiel. Im Unterschied zu dem ersten Dimensionierungsbeispiel wird nun für den Neigungswinkel β2 des zweiten Lagersitzes 6 ein rechter Winkel, also β2 = 90°, gewählt. Dann ergibt sich aus der Berechnungsvorschrift gemäß Gleichung (2) für den ersten Neigungswinkel β1 ein Wert von 60,604°. Auch mit diesem Wertepaar für die Neigungswinkel β1 und β2 stellt sich die günstige Kompensationswirkung ein. Es ist also nicht zwingend erforderlich, dass an beiden Lagersitzen 5 und 6 eine konische Anlagefläche vorhanden ist. Für die Kompensationswirkung reicht es aus, wenn dies zumindest an einem der beiden Lagersitze 5 und 6, insbesondere bei dem zweiten Lagersitz 6, erfüllt ist.
Durch den vorstehend beschriebenen Aufbau und die dementsprechende Dimensionierung der vorstehend genannten Parameter erhält man also eine zentrierte Lagerung des Innenteils 3 in dem Außenteil 2 über einen sehr weiten Temperaturbereich, wobei zugleich eine im Wesentlichen einheitliche Verspannung des Innenteils 3 innerhalb des Außenteils 2 entsprechend der Vorgabe durch die Anzugskraft der Schrauben 10 gegeben ist. In den beteiligten Komponenten entstehen aufgrund thermischer Ausdehnungseffekte keine zusätzlichen mechanischen Spannungen. Aufgrund der Maßnahmen zur Temperaturkompensation bleibt ein innerhalb des Innenteils 3 möglicherweise angeordneter Pressverband (z. B. ein in das als Statorträger ausgebildete Innenteil 3 eingepresstes Statorblechpaket 7) unbeeinflusst. Die zur Bildung der Lagersitze 5 und 6 vorgesehenen Kontaktflächen können Schwankungen in ihren Abmessungen aufweisen. Diese Toleranzen können über die oben angesprochene Abstandsscheibe 13 problemlos ausgeglichen werden, ohne die vorteilhafte Kompensationswirkung negativ zu beeinflussen. Weiterhin ist die zentrierte Lagerung des Innenteils 3 innerhalb des Außenteils 2 über einen sehr weiten Temperaturbereich gewährleistet. Die angesprochenen Maßnahmen zur Kompensation unterschiedlichen Temperaturverhaltens lassen sich auf andere Anwendungsfälle übertragen, so beispielsweise auf die zentrierte Lagerung eines Wälzlagers, wie z. B. eines Nadellagers.
Außerdem ist in 3 ein Ausführungsbeispiel für einen weiteren Anwendungsfall dargestellt. Es handelt sich um eine Einheit 17 mit einem mehrteiligen Gehäuse als Außenteil 18 und mit einer mittels Wälzlagern 19 und 20 um die Mittenlängsachse 4 drehbar gelagerten Welle 21 als Innenteil 22. Letzteres ist also ebenfalls mehrteilig ausgeführt. Es umfasst neben der insbesondere als Getriebewelle ausgeführten Welle 21 auch die insbesondere als Kegelrollenlager ausgeführten Wälzlager 19 und 20. Die Komponenten des Außenteils 18 haben wiederum einen anderen, insbesondere höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Komponenten des Innenteils 22. Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus Aluminium, wohingegen die Welle 21 und die Wälzlager 19 und 20 aus Stahl gefertigt sind. Dabei können für die einzelnen Komponenten des Innenteils 22 durchaus auch unterschiedliche Stahlwerkstoffe vorgesehen sein.
Das Innenteil 22 ist mittels zweier Lagersitze 23 und 24 innerhalb des Außenteils 22 zentriert gelagert. Die Lagersitze 23 und 24 sind durch den axialen Abstand L voneinander getrennt angeordnet.
Der erste Lagersitz 23 ist zwischen einer Abstandsscheibe 25 und einem Außenring 26 des Wälzlagers 19 gebildet. Die Abstandsscheibe 25 hat eine ähnliche Funktion wie die Abstandsscheibe 13 des Ausführungsbeispiels gemäß 1. Sie besteht vorzugsweise ebenfalls aus Aluminium und kann als weiterer Bestandteil des mehrteiligen Außenteils 22 aufgefasst werden. Eine zwischen der Abstandsscheibe 25 und dem Außenring 26 gebildete Lagersitzfläche 27 des Lagersitzes 23 hat gegenüber der Mittenlängsachse 4 einen rechtwinkligen Neigungswinkel β1. Dies ist aber nicht zwingend. Grundsätzlich kann der Neigungswinkel β1 auch von 90° verschiedene Werte annehmen, wobei dann eine ähnliche Ausgleichsanordnung wie nachstehend für den zweiten Lagersitz 24 beschrieben vorgesehen sein kann.
Der zweite Lagersitz 24 ist zwischen einem nach innen in Richtung des ersten Lagersitzes 23 vorspringenden und eine äußere konische Außenteilanlagefläche aufweisenden Gehäuseansatz 28 des Außenteils 18 und einem Außenring 29 des Wälzlagers 20 gebildet. Der Außenring 29 hat zur Bildung des Lagersitzes 24 eine spezielle Ausgestaltung. Er umfasst neben der üblichen hohlkegelförmigen Lauffläche für die Wälzkörper auch eine axiale Verlängerung 30, die sich axial auf der von dem ersten Lagersitz 23 abgewandten Seite der Wälzkörper über die Wälzkörper hinaus erstreckt. An der Innenseite der axialen Verlängerung 30 ist eine hohlkegelförmige Innenteilanlagefläche vorgesehen, die zu der konischen Außenteilanlagefläche des Gehäuseansatzes 28 korrespondiert und zusammen mit dieser den Lagersitz 24 bildet. Eine zwischen dem Gehäuseansatz 28 und der axialen Verlängerung 30 des Außenrings 29 gebildete Lagersitzfläche 31 des Lagersitzes 24 hat gegenüber der Mittenlängsachse 4 einen spitzen Neigungswinkel β2. Letzterer ist wie vorstehend erläutert und entsprechend der Vorschrift gemäß Gleichung (1) oder (2) so dimensioniert, dass der günstige Ausgleich des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens der Komponenten des Außenteils 18 und des Innenteils 22 erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Einheit
2: Außenteil
3: Innenteil
4: Mittenlängsachse
5: Lagersitz
6: Lagersitz
7: Blechpaket
8: Stator
9: Sitzring
10: Schraube
11: Anlagefläche
12: Gegenanlagefläche
13: Abstandsscheibe
14: Lagersitzfläche
15: Lagersitzfläche
16: Einheit
17: Einheit
18: Außenteil (mehrteilig)
19: Wälzlager
20: Wälzlager
21: Welle
22: Innenteil (mehrteilig)
23: Lagersitz
24: Lagersitz
25: Abstandsscheibe
26: Außenring
27: Lagersitzfläche
28: Gehäuseansatz
29: Außenring
30: axiale Verlängerung
31: Lagersitzfläche

Claims

Einheit mit einer Mittenlängsachse (4), einem Außenteil (2; 18) und einem in dem Außenteil (2; 18) in Bezug auf die Mittenlängsachse (4) zentriert gelagerten Innenteil (3; 22), wobei a) das Außenteil (2; 18) aus mindestens einem Außenteilmaterial mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (αG) und das Innenteil (3; 22) aus mindestens einem Innenteilmaterial mit einem vom ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (αG) verschiedenen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten (αS) besteht, b) zur Lagerung des Innenteils (3; 22) innerhalb des Außenteils (2; 18) ein erster Lagersitz (5; 23) und ein zweiter Lagersitz (6; 24) vorgesehen sind, c) der erste und der zweite Lagersitz (5, 6; 23, 24) durch einen axialen Abstand (L) voneinander beabstandet sind, d) der erste Lagersitz (5; 23) eine erste Lagersitzfläche (14; 27) mit einem ersten Neigungswinkel (β1) in Bezug auf die Mittenlängsachse (4) und der zweite Lagersitz (6; 24) eine zweite Lagersitzfläche (15; 31) mit einem zweiten Neigungswinkel (β2) in Bezug auf die Mittenlängsachse (4) hat, e) mindestens eine der beiden Lagersitzflächen (14, 15; 27, 31) konisch ist, und f) sich die beiden Neigungswinkel (β1, β2) voneinander unterscheiden.
Einheit nach Anspruch 1, bei der der erste Lagersitz (5; 23) zwischen einem am Außenteil (2; 18) angebrachten Sitzring (9) und dem Innenteil (3; 22) gebildet ist, wobei der Sitzring (9) insbesondere aus dem Außenteilmaterial oder einem der Außenmaterialien besteht.
Einheit nach Anspruch 2, bei der zwischen dem Sitzring (9) und dem Außenteil (2; 18) eine Abstandsscheibe (13) angeordnet ist.
Einheit nach Anspruch 2 oder 3, bei der die beiden Neigungswinkel (β1, β2) so dimensioniert sind, dass die Differenz: (αR – αS) / (αG – αS)· R1 / tanβ1 – R2 / tanβ2 einen Wert aus dem Bereich [0,5·L; 1,5·L], insbesondere aus dem Bereich [0,7·L; 1,3·L], vorzugsweise aus dem Bereich [0,85·L; 1,15·L] und am bevorzugsten genau den Wert L annimmt, wobei β1 und β2 für den ersten bzw. zweiten Neigungswinkel, R1 und R2 für einen mittleren Radius der ersten bzw. zweiten Lagersitzfläche (14, 15; 27, 31), L für einen axialen Abstand zwischen der axialen Position innerhalb des ersten Lagersitzes (5; 23) mit dem mittleren Radius R1 und der axialen Position innerhalb des zweiten Lagersitzes (6; 24) mit dem mittleren Radius R2, αG für den ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten des Außenteils (2; 18), αS für den zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten des Innenteils (3; 22) und αR für einen dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sitzrings (9) jeweils bei einer Referenztemperatur steht.
Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lagersitzfläche (14) des ersten Lagersitzes (5) und die Lagersitzfläche (15) des zweiten Lagersitzes (6) konisch sind.
Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der entweder der erste oder der zweite Neigungswinkel (β1, β2) ein rechter Winkel ist.
Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der axiale Abstand (L) zwischen dem ersten und dem zweiten Lagersitz (5, 6; 23, 24) mindestens 25% eines mittleren Durchmessers der ersten oder der zweiten Lagersitzfläche (14, 15; 27, 31) beträgt.
Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das mindestens eine Außenteilmaterial ein Material aus oder mit Aluminium oder ein Material aus oder mit Magnesium ist.
Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das mindestens eine Innenteilmaterial ein Material aus oder mit einem Stahl ist.
Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Innenteil (3; 22) ein Statorträger einer elektrischen Maschine oder ein Außenring eines Wälzlagers, insbesondere eines Nadellagers, oder eine mittels Wälzlagern (19, 20) drehbar gelagerte Welle (21) ist.
Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Außenteil (2; 18) ein Gehäuse, insbesondere ein Getriebegehäuse, ist.