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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen einer gezielten Vorspannkraft der Wälzlager während der Montage (Toleranzausgleich) und zur Kompensation betriebstemperaturbedingter Längenänderungen, insbesondere für Getriebe von Kraftfahrzeugen, mit einem axial bewegbaren Lagerträger und mit diesem in Wirkverbindung stehenden Thermoausgleichselementen und Einstellschrauben.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Schaltgetriebe moderner Kraftfahrzeuge weisen wälzgelagerte Wellen auf. Neben einer sogenannten Fest-/Loslager-Wellenlagerung meist in Form von Rillenkugel-/Zylinderrollenlager kommen Fest-/Festlager-Wellenlagerungen wie ein Kegel rollenlagerpaar zur Anwendung. Da Kugellager bei vorgegebenem Einbauraum jedoch nur eine begrenzte Tragfähigkeit aufweisen, ist für eine höhere Leistungsdichte und Dauerhaltbarkeit moderner Motoren die Verwendung von Kegelrollenlagern meist in X-Anordnung unabdingbar. Bei Verwendung von Radialkugellagern als Festlager sind diese in Lagerträgern gehalten. Die Funktionen von Lagerträgern sind in der Schrift
DE 10 2010 035 781 A1 ausführlich beschrieben. Neben einer zwei Wellenlageraußenringe aufnehmenden Lagerplatte („Lagerbrille”) sind auch separierte Lagerträger bspw. für Einlass- und Hauptwelle in Seriengetrieben zu finden.
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In der Regel besteht das Gehäuse eines Kraftfahrzeuggetriebes aus Aluminium-Druckguss mit einem etwa doppelt so hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Stahl, aus welchem die hochbelasteten Wellen gefertigt sind. Um den gestiegenen Funktions- und Gebrauchsdauervorgaben gerecht zu werden, ist die Justierung und Beibehaltung einer optimalen Kegelrollenlagervorspannung von enormer Bedeutung. Vor dem Hintergrund der Erhöhung des Wirkungsgrades und der Komfortansprüche von insbesondere manuellen Getrieben werden große Anstrengungen unternommen, für eine optimale Übertragung der Drehzahlen und Momente bzw. eine bestmögliche Schaltcharakteristik zu sorgen. Die Wälzlagerung der Wellen trägt wesentlich für die Leistung und den Komfort von Getrieben bei. Neben Kegelrollenlagern können auch ein- oder zweireihige Schrägkugellager für die Lagerung herangezogen werden. Auch hier gilt es, die Wälzlagervorspannung über alle Betriebspunkte in optimal engen Grenzen zu halten und Kraftstöße und Kraftpulsationen, wie sie aus den Zahneingriffen und Schaltsystemen kommen, bestmöglich abzudämpfen.
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Die Vorspannkraft der Kegelrollenlager herkömmlicher Getriebe wird mittels zugemessener Einstellscheiben bei Montage (Raumtemperatur) voreingestellt, um im Fahrbetrieb bei Betriebstemperatur – in der Regel 70°C bis 100°C – für eine optimale Funktion der Wellen bzw. der Schalt- und Momentübertragungskomponenten zu sorgen. Nachteilig wirken sich das zeit- und kostenintensive Vermessen der Getriebegehäusehälften und der Wellenzusammenbauten sowie das Bereitstellen einer breiten Auswahl von fein unterteilten und teuren, da plan geschliffenen und gehärteten, Stahleinstellscheiben aus. Dieser Prozess ist unter Fachleuten als. „Shimming”, von „Einstellscheibe” abgeleitet, bekannt. Da das Getriebe noch nicht komplettiert und „eingelaufen” ist, ist die Vorhaltung der Vorspannkraft mit einer gewissen Unschärfe behaftet, welche sich nachteilig auf die Funktion und Gebrauchsdauer auswirkt.
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Kraftfahrzeuggetriebe erfahren Grenztemperaturen von –40°C bis +140°C und unterschiedlichste Lastzustände durch z. B. Gangwechsel, Synchronisation, Drehzahl- und Lastwechsel, Schub- und Zugbetrieb. Aufgrund der großen Temperaturunterschiede kommt es zu unterschiedlichen Längenänderungen von Gehäuse aus Leichtmetallguss und der gelagerten Stahlwellen, welche einerseits eine signifikante Vorspannkrafterhöhung (kritische Wälzkörperflächenpressung) mit Folge vorzeitiger Ermüdung und Schmierungsschwächen und andererseits ein erhebliches Wälzlagerspiel (Versatz der Zahnräder und Schaltkomponenten, erhöhtes Flankenspiel) und daraus resultierende Geräusche und Schäden nach sich ziehen. Außerdem sorgt ein Einlaufen der Getriebekomponenten, d. h. Setzen und Verschleiß, ebenfalls für eine Veränderung der Wälzlagervorspannung gegenüber Montage bzw.- Neuzustand. All dies hat negative Auswirkungen auf die Funktion und die Lebensdauer des Getriebes. Der Fahrzeugführer nimmt diese mechanischen und tribologischen Unregelmäßigkeiten in Form von veränderten Schaltkräften, Vibrationen und Geräuschen wahr. Schlimmstenfalls führt dies zum vorzeitigen Austausch des Getriebes aufgrund Inakzeptanz durch den Fahrzeughalter.
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Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen und Elemente bekannt, welche eine gleichmäßige Vorspannung von insbesondere Kegelrollenlagern in allen Betriebspunkten über die Lebensdauer zum Ziel haben. Typische Vertreter dieser Thermokompensationselemente sind in den Schriftstücken
US 5,028,152 sowie
DE 41 18 933 A1 beschrieben. Neueste diesbezügliche Veröffentlichungsschriften wie
WO 2008/128833 A1 und
WO 2009/040172 A1 sowie
WO 2011/113672A1 verdeutlichen die Notwendigkeit einer optimalen Getriebewellenlagerung als wichtiges Glied im Gesamtantriebsstrangwirkungsgrad. Die in den zitierten Schriftstücken genannten Vorrichtungen und Elemente zum Ausgleich thermisch bedingter Längenänderungen stehen in direkter Wirkverbindung mit dem Außen- oder Innenring des Kegelrollenlagers oder sind in diesen integriert. Die
WO 2011/113672 A1 beschreibt ein Dehnelement aus Thermoplastischem Elastomer. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Werkstoffgruppe liegen bei etwa 50 × 10
–5 K
–1. Um die Längenänderung einer Getriebewelle von bspw. 300 mm auszugleichen, benötigt es ein Dehnelement von (24 – 12)/(500)·300 mm = 7.2 mm. Dieser Umstand verlängert das Getriebe um eben diese 7.2 mm in erheblichem Maße. Unberücksichtigt ist die mehrachsige Dehnung, da die hier beschriebenen Dehnelemente sich größtenteils raummäßig ausdehnen können. Zudem sind die Einbauverhältnisse durch wettbewerbsbedingtes strenges Downsizing sehr begrenzt. Der Einsatz der oben genannten Thermoausgleichselemente erfordert nach wie vor das aufwändige „Shimming”, um die Fertigungstoleranzen auszugleichen. Eine enge Feinjustierung der Vorspannkraft bzw. der Druckbelastung des Dehnelementes ist aus diesem Grund nicht möglich. Der Effekt des Einlaufens von Getrieben beeinflusst die Vorspannkraft der mit relativ flachen Kontaktwinkeln versehenen Kegelrollenlager nicht unwesentlich. Diese Einlaufeffekte sind in Relaxationen des druckgegossenen Gehäuses, der spanenden Bearbeitung, Verschraubungsverzerrungen, diversen Verschleiß- und Setzzonen an den Stützflächen sowie im reellen Verhalten der Thermokompensationselemente zu suchen. Das in meist U-Profilen gekapselte Dehnelement erfordert im Hinblick auf Quellverhalten, Elastizität über Druck, Reibverhalten und dreidimensionale Raumänderung tiefgehende Analysen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung diese Nachteile gegenzusteuern und eine kostenreduzierte, kompakt bauende und funktions- bzw. lebensdaueroptimierte Getriebelagerung auch vor dem Hintergrund der Umweltschutzvorgaben zu Schadstoffausstoß, Recycling und Energiebilanz zur Verfügung zu stellen. Im Hauptfokus stand die Kostenreduzierung und Vereinfachung der Montageprozesse, die Erweiterung des Auslegungsspielraums bzgl. der Einbindung eines vorzugsweise unidirektional wirkenden thermischen Ausgleichselementes trotz Downsizing sowie die konstruktive Gewährleistung einer optimalen Wälzlagervorspannkraft über alle Betriebszustände.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die Einstellung der Vorspannkraft der Kegelrollenlager erfolgt im Rahmen der Getriebemontage nach dem Komplettieren der einzelnen Getriebekomponenten. Die beiden Gehäusehälften sind miteinander verschraubt. Die Getriebewellen sind unbelastet, aber drehbar. Der Außenring des Kegelrollenlagers sitzt im Lagergehäuse und Kegelrollenkranz und Innenring sind mit der komplettierten Getriebewelle verbunden. Im letzten Arbeitsprozess werden die Einstellschrauben, welche mit den Thermoausgleichselementen in Wirkverbindung stehen, gleichzeitig in das Getriebegehäuse geschraubt bis sie auf Widerstand, nämlich des Lagerträgers, stoßen. Dieser Widerstand in Form eines Befestigungsmomentes (Anzugsmomentes) ist Indikator für die Kompensation des Kegelrollenlagerspiels und setzt sich aus Gewindereib- und Stirnreibmoment zusammen und steht in direktem Zusammenhang mit der Lagervorspannkraft. Das Anzugsverfahren, vorzugsweise Drehmoment- und Drehwinkelsteuerung, führt zu einer genauen Pressverteilung und Pressungshöhe auf das Dehnelement bzw. der Lagerung. Abhängig von der Anzahl der Einstellschrauben, der verwendeten Werkstoffe und Abmessungen, der Elastizitäten, der Oberflächenstrukturen (Reibzahlen), dem eingesetzten Dehnelementmaterial und der Schraubmethode ergibt sich ein bestimmtes Verhältnis von Anzugsmoment und Lagervorspannkraft. Weitreichende Informationen hierzu können beispielsweise der VDI 2230 entnommen werden. Die optimalen Anzugsverhältnisse bzw. Vorspannkräfte können darüber hinaus in einfachen Versuchsreihen ermittelt werden. Die Sicherung der an Befestigungsschrauben angelehnten Einstellschrauben gegen Lösen erfolgt beispielsweise mittels hochfester Schraubensicherungsklebstoffe, welche zugleich eine Dichtfunktion (Getriebeöl) ausüben (bekannt unter den Namen „Loctite” oder „Precote”) und nach einer gewissen Zeit ausgehärtet sind, oder mittels Kontermuttern.
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Im Betrieb ist das Getriebe insbesondere thermischen und mechanischen Belastungen unterworfen. Der Ausgleich der unterschiedlichen thermisch bedingten Längenänderungen von Getriebegehäuse und Welle und das Aufrechterhalten der optimalen Vorspannung der Kegelrollenlager erfolgt mittels der bereits unter Druck stehenden Thermokompensationselementen bzw. deren Dehnelemente, welche mit den Einstellschrauben und dem Lagergehäuse für einen ordnungsgemäßen Kraftfluss von Welle ins Getriebegehäuse sorgen. Axiale Kräftepeaks, wie sie bei Schaltvorgängen auftreten, werden durch die Elastizitäten der Bauteile gut abgefangen. Die Wirkweise der Thermokompensationselemente zielt in erster Linie auf eine unidirektionale Ausdehnung der Dehnelemente aufgrund der Volumenzunahme unter Temperaturanstieg ab. Selbstverständlich ziehenn sich die Elemente dann bei Minustemperatur zusammen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Kurze Beschreibungen der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigt
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1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittdarstellung,
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2 eine Seitenansicht der Ausführungsform aus 1,
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3 eine Explosionsdarstellung der Ausführungsform aus 1,
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4 einen vergrößerten Ausschnitt der Vorrichtung aus 1,
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5 eine zweite Ausführungsform eines Thermokompensationselementes im Halbschnitt,
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6 und 6a eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Kontermutter und ringförmigem Thermoausgleichselement,
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7 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Stehbolzen und Kontermutter, sowie 8 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Stützplatte und Kontermutter.
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Detaillierte Beschreibungen der Zeichnungen
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Es werden für dieselben Elemente identische Bezugszeichen verwendet.
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1 bis 4 zeigen verschiedene Ansichten einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Diese dient zum Einstellen und Aufrechterhalten der Vorspannkraft der die Getriebewelle 5 stützenden Kegelrollenlager 6. Diese Vorrichtung 1 ist Bestandteil eines nicht näher dargestellten manuellen Getriebes eines Kraftfahrzeuges und steht in Wirkverbindung mit dem druckgegossenen Getriebegehäuse 7. Die Vorrichtung 1 weist einen Lagerträger 2 auf, in dessen Aufnahmekörper 2c der Außenring 15 des Kegelrollenlagers 6 sitzt, drei beispielhafte thermische Ausgleichelemente 3, jeweils bestehend aus einem Dehnelement 8 und topfähnliche Schalen 9a, 9b, sowie die zugehörenden Einstellschrauben 4, welche mit den drei Innengewinden 19 des Getriebegehäuses 7 gefügt sind. Die Achsen 4b der Einstellschrauben verlaufen parallel zur Wellenachse 5a.
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5 stellt eine zweite Ausführungsform des Ausgleichselementes 3 mit nur einer flaschenähnlichen Schale 9a je Ausgleichselement 3 im Schnitt dar. Die Kapselung bzw. die für den Kraftfluss über das Dehnelement 8 notwendige Stützstruktur übernimmt hier das Sackloch 4a der Einstellschraube 4. Der äußere Durchmesser des Thermoausgleichselementes 3 ist kleiner als der Kerndurchmesser der Einstellschraube 4.
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6 und 6a stellt ein ringförmiges Ausgleichselement 3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dar. Dieses greift in eine Ringnut 2a des Lagerträgers 2 ein, welche einseitig das Dehnelement 8 stützt. Die Einstellschraube 4 weist eine plane Schraubenstirn 4b auf, welche das Thermoausgleichselement 3 und den axial bewegbaren Lagerträger 2 mit Außenring 15 gegen die Wälzkörper (Kegelrollen) des Kegelrollenlagers 6 drückt.
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In 7 ist der Lagerträger 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 außerhalb des Getriebegehäuses 7 platziert. Der für die Positionierung und Verschiebung des Lagerträgers 2 erforderliche Stehbolzen 13 ist hier fest mit dem Getriebegehäuse 7 verankert, vorzugsweise kraft- und formschlüssig gefügt oder verdrehsicher umgossen. Auf dem Stehbolzen 13 befindet sich ein Gewinde, welches mit der Kontermutter 12 zur Sicherung der Vorrichtung 1 in Wirkverbindung steht. Das zwischen Kontermutter 12 und Lagerträger 2 befindliche ringförmige Thermoausgleichselement 3 besteht aus einem Dehnelement 8, welches durch zwei ringförmige U-Profile eingekapselt ist.
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8 zeigt das Wirkprinzip einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer einfachen Stützplatte 2' ohne Außenringaufnahmekörper 2c, welche den Außenring 15 des Kegelrollenlagers 6 mit Vorspannrichtung nach außen mit einer Axialkraft zur Justierung der Vorspannung beaufschlagt (z. B. für sogenannte Wälzlager O-Anordung).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zum Einstellen und Aufrechterhalten der Wälzlagervorspannkraft
- 2
- Lagerträger
- 2a
- Ringnut
- 2b
- Stützlasche
- 2c
- Aufnahmekörper
- 3
- Thermisches Ausgleichselement
- 4
- Einstellschraube
- 4a
- Sackloch
- 4b
- Einstellschraube-Achse
- 5
- Getriebewelle
- 5a
- Getriebewelle-Achse
- 6
- Kegelrollenlager (oder Schrägkugellager, Schräglager)
- 7
- Getriebegehäuse
- 7a
- Aufnahmebohrung
- 8
- Dehnelement
- 9
- Kapsel
- 9a
- Schale
- 9b
- Schale
- 9c
- Ring
- 10
- Dichtung
- 11
- Klebstoff (zum Zwecke der Lösesicherung bzw. Dichtung)
- 12
- Kontermutter
- 13
- Stehbolzen
- 14
- Positioniervorsprung
- 15
- Außenring
- 16
- Stütz- und Führungszylinder
- 17
- Schraubenbetätigungsmittel
- 18
- Bord
- 19
- Innengewinde
- 20
- Kontaktzone (Kraftfluss)
- 21
- Stirn
- 22
- Außengewinde
- 23
- Verschlußschraube (Wellenende)
- ← →
- Bewegungsrichtung (axial, unidirektional)
- Fax
- Axialkraft
- Frad
- Radialkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010035781 A1 [0002]
- US 5028152 [0006]
- DE 4118933 A1 [0006]
- WO 2008/128833 A1 [0006]
- WO 2009/040172 A1 [0006]
- WO 2011/113672 A1 [0006, 0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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