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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Getriebetechnik und insbesondere ein Planetengetriebe nach Anspruch 1 und eine bevorzugte Verwendung dieses Getriebes für ein Lenksystem nach Anspruch 12.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Derzeitiger Stand der Technik in Planetengetrieben sind Hohlräder, die im Getriebegehäuse fest verankert oder drehbar gelagert sind. Beide Varianten sind – abgesehen von metallischen Elastizitäten – bezogen auf ihre jeweilige Mittelachse bzw. Rotationsachse ortsfest im Gehäuse zentriert. Daraus können sich allerdings die nachstehenden Nachteile ergeben.
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Bei Planetengetrieben mit Sonnenrad, Planetenrädern und Hohlrad müssen die Rotationsachsen – oder bei nichtdrehenden Wellen die Mittelachsen – von Sonnenrad, Steg und Hohlrad ineinander fallen. Aufgrund von Fertigungs- und Montagetoleranzen der Räder im Gehäuse kann es aber zu ungewollten Achsversätzen kommen, die den späteren Zahneingriff stören. Eine mögliche weitere Folge einer derart überbestimmten Zentrierung kann in einer störenden Schallentwicklung bestehen.
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Der erwähnte Achsversatz führt auch zu einer ungleichmäßigen Kraftverteilung bei Getrieben mit mehreren Planetenrädern, da sich unterschiedliche Achsabstände von Planetenrad und Sonnenrad ergeben. In der Folge kommt es zur Überlastung eines Planetenrades und zu einer ungleichmäßigen Beanspruchung des gesamten Getriebes.
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Eine starre Aufhängung des Hohlrades bildet an den direkten Verbindungspunkten von Hohlrad und Gehäuse eine Körperschallbrücke. Störend hierbei ist die Gehäuseanregung mit der damit verbundenen Luft- und Körperschallübertragung durch akustische Kopplung.
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Eine starre Aufhängung des Hohlrades führt an den direkten Verbindungspunkten von Hohlrad und Gehäuse zu werkstoffbedingten Spannungen, da die Bewegung bei unterschiedlicher Wärmeausdehnung z.B. bei einem Aluminium-Gehäuse und einem Stahl-Hohlrad an diesen Stellen gehemmt wird. Ebenso kann es bei unterschiedlicher Erwärmung von Innen- und Außenteil zu den beschriebenen Verschiebungen und Spannungen kommen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Planetengetriebe bereitzustellen, das die vorstehenden Nachteile überwindet und das insbesondere eine gleichmäßige Lastverteilung, geringe Verschiebungen und Spannungen und eine geringe Geräuschentwicklung bei gleichzeitig einfachem und zuverlässigem Aufbau aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche, die in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Vorteile der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung besteht dabei in der zentrischen und gleichermaßen beweglichen Aufhängung der Räder, die sowohl einen Freiheitsgrad der Mittelachse oder Rotationsachse des Hohlrades in beliebiger radialer Richtung beinhaltet, als auch den Freiheitsgrad möglicher unterschiedlicher Wärmeausdehnungen von Hohlrad und Gehäuse berücksichtigt. Dabei kann die Lagerung des Steges z.B. mittels Wälzlager weitestgehend starr positioniert und drehbar ausgeführt, und das Hohlrad über die Verzahnungen der Planetenräder positioniert und/oder geführt sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform dieses Planetengetriebes ist es vorgesehen, dass die bewegliche Aufhängung des verzahnten Hohlradbereiches radialelastisch und/oder axialelastisch und/oder verdrehelastisch ausgeführt ist. Durch die radiale Elastizität des Systems wird einerseits eine ungleichmäßige Kraftübertragung der Planetenräder auf das Hohlrad ausgeschlossen, denn die Planetenräder und das Hohlrad können sich auf einen gemeinsamen Hüllkreis zentrieren. Zum anderen wird auch eine entsprechende Geräuschentwicklung vermieden, die sich aus dieser ungleichmäßigen Kraftübertragung ergäbe. Gleichsam werden auch Spannungen abgebaut, die sich aus den unterschiedlichen Materialausdehnungen von Gehäuse und System, also Hohlrad, Steg, Planetenrädern und Sonnenrad samt ihren Achsen ergeben. In der Summe entsteht damit eine vom Gehäuse weitestgehend akustisch entkoppelte Hohlradaufhängung, die einen zuverlässig ruhigen Lauf des Getriebes garantiert. Eine gleichzeitige Elastizität des System in Drehrichtung. d.h. dessen tangentiale Elastizität sorgt dabei zusätzlich für eine Dämpfung von Schwingungen, die sich insbesondere aus raschen Lastwechseln oder Drehrichtungswechseln ergeben würden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der verzahnte Hohlradbereich im Wesentlichen verdrehfest mit dem Gehäuse verbunden. Somit ist eine Getriebeauslegung mit feststehendem Hohlrad möglich, die sich aus den spezifischen Anforderungen an seinen Einsatzbereich ergeben kann. 'Im Wesentlichen verdrehfest' soll dabei bedeuten, dass die Nachgiebigkeit des Systems in Drehrichtung oder tangentiale Richtung zwar vorhanden, jedenfalls aber nicht so ausgeprägt sein soll, dass ein sozusagen 'schwammiges' Drehverhalten erzeugt wird. Dazu kann die Elastizität des Systems in Drehrichtung deutlich geringer als die in radialer und/oder axialer Richtung gewählt werden. Dies kann z.B. der Fall sein, wenn das Hohlrad in tangentialer Richtung nur insoweit elastisch ist, wie sich dies sozusagen als Sekundäreffekt aus seiner gleichzeitigen radialen und/oder axialen Elastizität ergibt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der verzahnte Hohlradbereich drehbar in dem Gehäuse gelagert, womit sich auch eine alternative Getriebeauslegung mit drehfähigem Hohlrad realisieren lässt. Die elastische Aufhängung des verzahnten Hohlradbereiches ist dabei im Wesentlichen verdrehfest mit dem Gehäuse verbunden, was sich z.B. durch eine Zweiteilung des Hohlrades in einen im Wesentlichen feststehenden Außenring und einen drehbar daran gelagerten Innenring verwirklichen lässt. Die außenliegende, d.h. zwischen Hohlrad und Gehäuse angeordnete elastische Aufhängung ist dabei besonders einfach verwirklichbar, da an dieser Position genügend Bauraum zur Verfügung steht. Die elastische Aufhängung kann aber auch mit dem verzahnten Hohlradbereich verbunden und zusammen mit diesem drehbar sein, womit sich eine besonders kompakte und leicht zu montierende Hohlradkomponente ergibt.
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Grundsätzlich kann die elastische Aufhängung ein federndes und/oder dämpfendes Bauteil auf Basis einer einfachen mechanischen Feder- und/oder eines Hydraulikdämpfers umfassen. Eine besonders einfache, wartungsfreie und kostengünstige elastische Aufhängung umfasst allerdings bevorzugt ein federndes und/oder dämpfendes Material, insbesondere ein Elastomer. Eine elastische Verformung des Materials ist dabei bevorzugt durch einen radialen und/oder axialen und/oder tangentialen Anschlag begrenzt, um zum einen dessen Dämpfungsfähigkeit zu gewährleisten, zum anderen aber negative Einflüsse auf das Ansprechverhalten des Systems auszuschließen. Eine besonders einfache und effiziente konstruktive Verwirklichung dieses Anschlags sieht dabei vor, dass die elastische Verformung des Materials durch dessen Kammerung in seinem Einbauraum selbst begrenzt ist.
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Bei einer bevorzugten Auslegung des Planetengetriebes ist es vorgesehen, dass das Sonnenrad gegenüber dem Gehäuse fest positioniert und drehbar darin gelagert ist. Dabei entsteht ein besonders robustes System, das dennoch eine ausreichende Elastizität aufweist, die sich aus der elastischen Aufhängung des verzahnten Hohlradbereiches gegenüber den Planetenrädern ergibt. Andererseits kann es aber auch von Vorteil sein, wenn das Sonnenrad über die Planetenräder positioniert und geführt ist. Somit entsteht ein System mit starr gelagertem Steg und Planetenrädern, welche ihrerseits wieder das schwimmend aufgehängte Hohlrad und/oder das radialelastisch aufgehängte Sonnenrad zentrieren. In beiden Fällen ist eine gleichmäßige Lastverteilung und eine erheblich reduzierte Geräuschentwicklung des Getriebes zu verzeichnen.
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Aufgrund seiner ausgeprägten Elastizität und seinem dennoch guten Ansprechverhalten soll das erfindungsgemäße Planetengetriebe bevorzugt für ein Lenksystem in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Nutzfahrzeug verwendet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
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1A eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Planetengetriebes gemäß der Erfindung;
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1B eine Draufsicht auf eine elastische Aufhängung im Bereich B des Hohlrades der ersten Ausführungsform des Planetengetriebes;
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1C eine Seitenansicht der elastischen Aufhängung der ersten Ausführungsform des Planetengetriebes entlang des Schnittes C-C der 1B;
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2 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen elastischen Aufhängung eines Hohlrades, und
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3 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen elastischen Aufhängung eines Hohlrades.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1A zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Planetengetriebes P gemäß der Erfindung, mit einem Hohlrad 10 und einem sich zentrisch darin erstreckenden Sonnenrad 20, wobei ein verzahnter Hohlradbereich 11 und das Sonnenrad 20 gegeneinander verdrehbar in einem Gehäuse 30 gelagert sind. Drehachsen 41 ... 41’’ von Planetenrädern 40 ... 40’’, die einerseits mit dem Sonnenrad 20 und andererseits mit dem verzahnten Hohlradbereich 11 in Eingriff stehen, sind zur gemeinsamen Bewegung über einen Steg 50 miteinander verbunden. Eine Drehachse 21 des Sonnenrades 20 kann dabei gehäusefest angeordnet sein oder aber auch durch die Planetenräder 40 ... 40’’ positioniert sein. In jedem Fall ist der verzahnte Hohlradbereich 11 sowohl radial- als auch axialelastisch in dem Gehäuse 30 aufgehängt, wobei er mit diesem andererseits weitestgehend verdrehfest verbunden ist. Die Bezugsziffer B bezeichnet eine der elastischen Aufhängungen 60, wie sie in regelmäßigen Abständen in Umfangsrichtung des Hohlrades 10 angeordnet sind, und von denen eine in 1B vergrößert dargestellt ist.
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Die 1B zeigt eine Draufsicht auf eine elastische Aufhängung 60 im Bereich B des Hohlrades 10 der ersten Ausführungsform des Planetengetriebes P. Zu erkennen ist ein Spalt S, der so bemessen ist, dass eine Verspannung des Hohlrades 10 und des Gehäuses 30 auf Grund von unterschiedlicher Wärmeausdehnung sicher ausgeschlossen sind. Ist das Hohlrad 10 z.B. aus einem Stahl und das Gehäuse 30 aus einem Aluminiumwerkstoff mit den Wärmeausdehnungskoeffizienten αAlu = 0,000024 1/K und αStahl = 0,000016 1/K hergestellt, ergibt sich eine Differenz des Koeffizienten von ∆α = 0,000008 1/K bei einer Temperaturdifferenz von ∆T = ±60°C. Im Falle eines Durchmessers des Hohlrades 10 von Lo = 145 mm ergibt sich in den Temperaturgrenzen von TGrenzen = 20°C ± ∆T
= –40°C bis +80°C eine radiale Ausdehnung ∆l von Alu/Stahl von ∆l = Lo·∆α·∆T
= 145·0,000008·±60
= ±0,07 mm und ein Minimalspalt sradial min von sradial min = 0,07 ± 0,07.
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Gewählt wurde hier eine Weite des Spaltes S von sradial = 0,1 mm, d.h. eine Durchmesserdifferenz zwischen Hohlrad 10 und Gehäuse 30 von 0,2 mm. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die elastische Aufhängung 60 mindestens dieses Spiel bieten muss, damit keine temperaturbedingten Verspannungen auftreten können, und zugleich ein Zentrieren zwischen Planetenrädern 40 ... 40’’ und Hohlrad 10 aus potentiellem Achsversatz kompensiert werden kann.
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Die 1C zeigt eine Seitenansicht der elastischen Aufhängung 60 der ersten Ausführungsform des Planetengetriebes P entlang des Schnittes C-C der 1B.
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Das Hohlrad 10 mit seinem verzahnten Bereich 11 ist dabei zwischen zwei Gehäusehälften 30, 30’ gehalten, die wiederum über Schrauben 31 miteinander verbunden sind. Die Aufhängung 60 umfasst dabei einen Bolzen 63, dessen oberes und unteres Ende mittels elastischer Materialien 61, hier in Form von elastomerischen O-Ringen, gegen das Gehäuse 30, 30’ gelagert ist. Ein radiales Spiel zwischen dem verzahnten Hohlradbereich 11 und dem Gehäuse 30, 30’ ist dabei durch Anschläge 62 begrenzt, während ein axiales Spiel durch Anschläge 62’ eingeschränkt ist. Die jeweiligen Spalten zwischen Hohlrad 10 und Gehäuse 30 sind in Zusammenhang mit dem elastischen Material der Ringe 61 so gewählt, dass ein fertigungsbedingter Achsversatz zwischen Hohlrad 10 und Planetenrädern 40 ... 40’’ in radialer Richtung elastisch ausgleichbar ist, und dass unterschiedliche Materialausdehnungen von Gehäuse 30 und Hohlrad 10 in radialer und axialer Richtung kompensierbar sind. Eine Verdrehung des verzahnten Hohlradbereiches 11 gegenüber dem Gehäuse 30, 30’ auf Grund von Lastwechseln des Systems ist dabei weitestgehend ausgeschlossen bzw. nur in den Grenzen einer Verformbarkeit des Materials 61 unter den in 1B dargestellten Scherkräften F möglich. Entsprechend entsteht ein akustisch von dem Gehäuse 30, 30’ entkoppeltes System, was auch unter erheblichen Beanspruchungen einen zuverlässig ruhigen Lauf aufweist. Durch die Wahl eines elastomerischen Materials 61 ist die elastische Aufhängung 60 zudem konstruktiv einfach zu verwirklichen und darüber hinaus völlig wartungsfrei.
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Die 2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen elastischen Aufhängung 60’ eines Hohlrades 10. Im Gegensatz zur Ausführungsform eines Planetengetriebes P der 1A–1C ist hier der verzahnte Hohlradbereich 11 eines Hohlrades 10’ drehbar in einem Gehäuse 30, 30’ gelagert, während ein Außenring des Hohlrads 10’ über die elastische Aufhängung 60’ weitestgehend verdrehfest mit dem Gehäuse 30, 30’ verbunden ist. Somit ergibt sich eine besonders kompakte und damit leicht zu montierende Bauform eines Hohlrades 10’. Dabei ist die Aufhängung 60’ im Prinzip ähnlich wie die der 1A–1C aufgebaut und umfasst einen Bolzen 63, der über ein elastischen Material 61, hier ebenfalls in Form von zwei elastomerischen O-Ringen, gegen die jeweiligen Gehäuseteile 30 bzw. 30’ gelagert ist. Entsprechend ist auch hier ein radiales und axiales Spiel in den Grenzen der Anschläge 62, 62’ gewährleistet, das einen zuverlässig ruhigen Lauf des Getriebes unter allen Betriebsbedingungen garantiert. Der verzahnte Hohlradbereich 11 ist über ein Wälzlager 70 drehbar an dem Außenring des Hohlrades 10’ gelagert, wozu dieser Außenring zwei Flanken 12, 14 und eine dazwischenliegende Lauffläche 13 aufweist. Beide Gehäuseteile 30 bzw. 30’ sind dabei wieder über Schrauben 31 miteinander verbunden. Somit ist auch ein Planetengetriebe mit einem anforderungsabhängig drehbar zu lagernden verzahnten Hohlradbereich 11 mit der elastischen Aufhängung 60’ verwirklichbar, die grundsätzlich nicht anders aufgebaut ist wie bereits in den 1A–1C gezeigt.
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Die 3 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen elastischen Aufhängung 60’’ eines Hohlrades 10’’. Im Gegensatz zu der Ausführungsform der 1A–1C ist hier der verzahnte Hohlradbereich 11 drehbar in einem Gehäuse 30’’ gelagert, abweichend von 2 sieht das Hohlrad 10’’ aber keinen Außenring vor, der elastisch gegen das Gehäuse aufgehängt ist. Im Gegenteil wurde hier eine einfache Bauform des Hohlrades 10’’ gewählt, bei welcher lediglich die elastische Aufhängung 60’’ in das Hohlrad 10’’ selbst integriert wurde. Deren grundsätzlicher Aufbau mit elastomerischen O-Ringen 61 und radialer bzw. axialer Spielbegrenzung zwischen Anschlägen 62 bzw. 62’ ändert sich auch hier nicht. Im Gegensatz zur 2 ist aber ein Wälzlager 70’ direkt zwischen Gehäuse 30’’ und Hohlrad 10’’ vorgesehen, d.h. außerhalb des Hohlrades 10’’ vorgesehen. Eine solche Bauform kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn es nicht darauf ankommt, die bewegte Masse des verzahnten Hohlradbereiches 11 besonders klein zu halten.
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Auf Grund der besonderen elastischen Aufhängung entsteht dabei bei allen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes ein zuverlässiger und ruhiger Lauf unter allen Betriebsbedingungen, der zudem besonders einfach und kostengünstig, insbesondere auch wartungsfrei zu verwirklichen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10 ... 10’’
- Hohlrad
- 11
- Verzahnter Hohlradbereich
- 12 ... 14
- Teile des Hohlrades
- 15, 16
- Teile des Hohlrades
- 20
- Sonnenrad
- 21
- Zentrale Achse
- 30 ... 30’’
- Gehäuse
- 31
- Schraube
- 40 ... 40’’
- Planetenräder
- 41 ... 41’’
- Drehachsen
- 50
- Steg
- 60 ... 60’’
- Elastische Aufhängung
- 61
- Elastisches Material
- 62, 62’
- Anschlag
- 63
- Bolzen
- 70, 70’
- Wälzlager
- F
- Scherkräfte
- P
- Planetengetriebe
- S
- Spalt
