DE102012214365A1

DE102012214365A1 - Vorspannsystem für eine Ritzelbaugruppe

Info

Publication number: DE102012214365A1
Application number: DE201210214365
Authority: DE
Inventors: Peter Alexander Szpara; Timothy John Reed; Troy Smith; Julie Anne Sunstein; Wayne Uhrick
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2013-02-21
Also published as: US20130042453A1; CN102954189B; CN102954189A; US9091298B2; US20150292554A1; US9835197B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft Vorspannsysteme für Ritzelbaugruppen. Offenbart werden Systeme, die ein Druckstellorgan aufweisen, das dahingehend konfiguriert ist, eine axiale Kraft gegen eine Ritzelbaugruppe anzulegen; einen Kraftsensor, der dahingehend konfiguriert ist, eine Reaktionskraft an der Ritzelbaugruppe zu messen, und einen Controller, der dahingehend konfiguriert ist, das Druckstellorgan in Übereinstimmung mit einer Änderung in der Reaktionskraft zu steuern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Ritzelbaugruppen, die in Fahrzeugantriebsachsen verwendet werden können und Vorspannsysteme für die Ritzelbaugruppen.
STAND DER TECHNIK
Herkömmliche Antriebsstränge für Kraftfahrzeuge umfassen eine Antriebswelle, die mit einem Antriebsritzel verbunden ist. Ein Antriebsritzel umfasst eine Ritzelwelle, die von einem Paar axial beabstandeter Zapfenlager gelagert wird. Diese zwei Lager sind durch einen Abstandhalter getrennt. Während des Betriebs des Fahrzeugs können Antriebsstrangschwingungen, Getriebetrennkräfte oder Unwuchtkräfte in dem Antriebsritzel auftreten, die ein Ablenken in den Bauteilen der Ritzelbaugruppe verursachen können. Es ist daher wünschenswert, die Bauteile der Ritzelbaugruppe in einem Antriebsstrangdifferenzial vorzuspannen, um Antriebsstrangschwingungen zu minimieren und die Dauerhaftigkeit des Antreibsstrangs und seiner Komponenten zuverbessern.
Unterschiedliche Verfahren existieren im Stand der Technik zum Vorspannen von Ritzellagerbaugruppen, die in Antriebsstrangdifferenzialen verwendet werden. Die Lagervorspannung wird gewöhnlich durch Überwachen eines maximalen Drehschleppmoments auf der Lagerbaugruppe während des Verengens der Entfernung zwischen Lagern eingestellt. Bei diesem Verfahren können erwartete Schleppmomentniveaus für eine Vorspannung von 5 bis 9 kN im Drehmomentbereich von 1,7 bis 2,3 Nm liegen. Der Einsatz eines Schleppmoments zum Aufschlüsseln von Vorspannung weist jedoch Nachteile auf. Das Schleppmoment, das sich aus dem Spannen ergibt, variiert zum Beispiel in Abhängigkeit von dem Niveau an verwendetem Rostschutzmittel, der bereitgestellten Schmierung, ob ein Dichtschnittstellenwiderstand verwendet wird oder nicht, sowie von der Umgebungstemperatur. Zusätzlich haben Schrägkugellager (oder „ACBBs“) mit reduziertem Schlepp für Kraftstoffeffizienz erwartete Schleppmomentniveaus in dem Bereich von 0,21 bis 0,23 Nm. Das ist ein signifikant verringertes Niveau an Schleppmoment im Vergleich zu 1,7–2,3 Nm. Entsprechend ist es bei ACBBs viel schwieriger, verringerten Schlepp oder eingestellte Vorspannung zu messen. Das U. S.-Patent 7 251 892 mit dem Titel „Bearing Assembly Spacer Adjustable System and Method for Adjusting a Spacer“ lehrt den Gebrauch eines Abstandhaltereinstellsystems, das einen Vorspannregler hat, der das Vorspannen gemäß der gewünschten Verformung unter Einsatz elektrischer Kontakte zwischen einem ersten und einem zweiten Abschnitt des Abstandhalters steuert, um eine zurückgelegte Entfernung zu messen. Dieses System betrifft jedoch die Abstandhaltereinstellung und nicht das Vorspannen für die gesamte Ritzelbaugruppe. Bei einer Baugruppe kann die Verlagerung für die Zielvorspannung in Abhängigkeit von dem Elastizitätsmodul jedes Bauteils variieren.
Daher ist es wünschenswert, Vorspannsysteme für Ritzelbaugruppen (und Verfahren dafür) zu haben, die die gesamte Baugruppe vorspannen und den Einsatz eines gemessenen Schleppmoments nicht erfordern.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft eines oder mehrere der oben genannten Probleme. Weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist ein Vorspannsystem für eine Ritzelbaugruppe Folgendes auf: ein Druckstellorgan, das dahingehend konfiguriert ist, eine axiale Kraft gegen eine Ritzelbaugruppe anzulegen; einen Kraftsensor, der dahingehend konfiguriert ist, die Reaktionskraft an der Ritzelbaugruppe zu messen, und einen Controller, der dahingehend konfiguriert ist, das Druckstellorgan gemäß einer Änderung in der Reaktionskraft zu steuern.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Vorspannsystem für eine Ritzelbaugruppe: ein Druckstellorgan, das dahingehend konfiguriert ist, eine axiale Kraft gegen eine Ritzelbaugruppe anzulegen; einen Kraftsensor, der dahingehend konfiguriert ist, eine Reaktionskraft an der Ritzelbaugruppe zu messen; einen Positionssensor, der dahingehend konfiguriert ist, eine Verlagerung in einer Ritzelbaugruppe während des Spannens zu messen, und einen Controller, der dahingehend konfiguriert ist, die Reaktionskraft gegen Verlagerung aufzuzeichnen und das Druckstellorgan in Übereinstimmung mit einem Gefälle der Aufzeichnung zu steuern.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Vorspannen einer Ritzelbaugruppe: Anlegen einer axialen Kraft an eine Ritzelbaugruppe; Beurteilen einer Reaktionskraft an der Ritzelbaugruppe; Beurteilen einer Verlagerung einer Lagerbaugruppe und Stoppen des Anlegens der axialen Kraft basierend auf einer Änderung in der Reaktionskraft.
Ein Vorteil der vorliegenden Lehren besteht darin, dass sie ein Vorspannsystem für eine Ritzelbaugruppe offenbaren, das die gesamte Ritzelbaugruppe vorspannt und keinen Gebrauch eines gemessenen Schleppmoments erfordert. Vorteilhafterweise wird auch ein Verfahren zum Vorspannen einer Ritzelbaugruppe offenbart, das ebenfalls keinen Gebrauch eines gemessenen Schleppmoments erfordert, um die Lagervorspannung anzugeben.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass sie ein System lehrt, das das direkte Platzieren und Reaktionskraft anstelle von Schleppmoment verwendet, um die Lagervorspannung abzuleiten und dadurch die Umsetzung von Lagern zu erlauben, die relativ niedrigen Drehverlust und höhere Effizienz haben, wie zum Beispiel Schrägkugellager. Diese Lager ergeben weniger Störverluste und gesteigerte Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs. Ferner können die Stärkentoleranzen für Ritzelbaugruppen einfacher mit der Umsetzung von Beispielen in der vorliegenden Offenbarung bestimmt werden.
Die Erfindung wird unten ausführlicher beispielhaft unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen in den Figuren für identische oder im Wesentlichen identische Elemente verwendet werden. Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung leicht erkennbar, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden. Die Figuren zeigen Folgendes:
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines teilweisen Querschnitts eines Antriebsstrangdifferenzials, in das eine Ritzelbaugruppe eingebaut ist.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Vorspannsystems für eine Ritzelbaugruppe gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
3 ist eine Vorderansicht eines Abschnitts des Vorspannsystems für eine Ritzelbaugruppe der 2.
4 ist eine perspektivische Ansicht des Endwerkzeugs in dem System der 2–3.
5 ist eine perspektivische Querschnittansicht des Vorspannsystems für eine Ritzelbaugruppe der 2 in einer ausgerückten Position.
6 ist eine perspektivische Querschnittansicht des Vorspannsystems für eine Ritzelbaugruppe der 2 in einer eingerückten Position.
7 ist ein freies Körperschema der Ritzelbaugruppe der 5–6 unter Spannung.
8 ist eine Grafik einer Kurve Kraft im Vergleich zur Verlagerung für den Spannprozess einer Ritzelbaugruppe.
9 ist eine weitere Grafik einer Kurve Kraft im Vergleich zur Verlagerung für den Spannprozess einer Ritzelbaugruppe.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in welchen gleiche Zeichen Beispiele der gleichen oder entsprechender Teile in allen Ansichten darstellen, sind Vorspannsysteme für Ritzelbaugruppen gezeigt. Diese Systeme sind dahingehend konfiguriert, Ritzellagerbaugruppen durch Anlegen einer axialen Last und Messen einer Reaktionskraft und Verlagerung vorzuspannen. Das Spannen wird beruhend auf Änderungen in der Reaktionskraft oder Last gestoppt. Die Systeme umfassen einen Controller oder Mikrocontroller, der eine Logik in geschlossener Schleife hat, die dahingehend konfiguriert ist, eine Spannung gemäß einer Änderung in der Reaktionskraft anzulegen. Das Spannen der Ritzelbaugruppe wird in Übereinstimmung mit einer Regressionsgleichung berechnet. Bei einer Ausführungsform ist die Ritzelbaugruppe zum Beispiel ausreichend vorgespannt, wenn die Änderung in der Reaktionskraft gleich der Summe der Abstandhaltervorspannung abzüglich der Lagerlaufringvorspannung abzüglich einer Konstanten multipliziert mit einem Multiplikator ist. Die Abstandhaltervorspannung und die Lagerlaufringvorspannung werden durch Überwachen der Änderungsrate zwischen der Verlagerung und der Reaktionskraft während des Spannens identifiziert.
Die Systeme sind dahingehend konfiguriert, das Spannen der Ritzelbaugruppen fortzusetzen, bis eine vorbestimmte Vorspannung an der Ritzelbaugruppe verwirklicht ist. Die gezeigten Ritzelbaugruppen umfassen einen Abstandhalter, der zwischen zwei Lager eingefügt ist, die jeweils an einem Ende des Abstandhalters platziert sind. Bei anderen Ausführungsformen befindet sich kein Abstandhalter zwischen den Ritzellagern, oder der Abstandhalter ist zwischen einem Ritzellager und einer Schulter des Ritzelschafts eingefügt. Die veranschaulichten Lager sind Schrägkugellager. Andere Lagertypen können mit den Vorspannsystemen verwendet werden, zum Beispiel Kegelrollenlager.
Bei bestimmten Ausführungsformen hat das System einen Controller mit einer Betriebslogik in geschlossener Schleife, die dahingehend konfiguriert ist, das Spannen gemäß einer Aufzeichnung der Reaktionskraft im Vergleich zur Lagerverlagerung anzulegen. Mehrere Punkte auf der Aufzeichnung Kraft im Vergleich zur Verlagerung können verwendet werden, um Abstandhaltervorspannung, Vorspannung der Lagerlaufringpassung und entsprechenden Lagervorspannung anzuzeigen. Das Gefälle der Aufzeichnung der Verlagerung im Vergleich zur Reaktionskurve und/oder Änderungen im Gefälle der Kurve können zum Beispiel diese Werte angeben. Derart erfordern die offenbarten Vorspannsysteme für Ritzelbaugruppen keinen Gebrauch eines gemessenen Schleppmoments, um eine passende Vorspannung anzuzeigen.
Die offenbarten Ritzellagerbaugruppen sind für den Gebrauch in Antriebssträngen für Kraftfahrzeuge, die ein Differenzial haben, konfiguriert. Jede Art von Kegelrollenlager oder Schrägkugellager kann jedoch mit den Vorspannsystemen und Verfahren verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine beispielhafte Ritzelbaugruppe 10 (oder Ritzellagerbaugruppe) in einem Antriebsstrang-Achsträger 20 gezeigt. Der Achsträger 20 kann für den Gebrauch in einem beliebigen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang konfiguriert werden. In einem Achsträgergehäuse 30 befindet sich ein Ritzelkopf 70 des Ritzels 10. Der Ritzelkopf 70 reagiert gegen ein Tellerrad, das an einem Differenzial (nicht gezeigt) befestigt ist. Eine Ritzelkopf-Lagerbaugruppe oder ein Kopflager 80 ist in das Achsträgergehäuse 30 in der Nähe des Kopfes 70 des Ritzels gespannt. Bei dieser Ausführungsform ist das Kopflager 80 ein Schrägkugellager (oder ACBB), das auf einer Ritzelwelle oder einem Laufring 90 gelagert ist. Das ACBB hat wie gezeigt einen Innenring und einen Außenring. Ein faltbarer Abstandhalter 100 ist zwischen das Kopflager 80 und ein hinteres Lager 110, das bei dieser Ausführungsform ebenfalls ein ACBB ist, eingefügt. Ein Abschnitt der Ritzelbaugruppenwelle 90 hat einen Gewindeschnitt, so dass eine Ritzelmutter 120 an dem hinteren Ende 130 der Ritzelbaugruppe in einer Position benachbart zu dem hinteren Lager 110 festgezogen und gepasst werden kann. Während des Betriebs erfährt die Ritzelbaugruppe 10 axiale Schwingung, Drehmoment und andere Kräfte entlang der Ritzelwelle 90. Um die Ablenkung aufgrund der Systemschwingung zu lindern, kann die Ritzelbaugruppe 10 über den elastischen Zustand des Ritzelbaugruppenbestandteils oder der Ritzelbaugruppenbestandteile (zum Beispiel der Abstandhalter 100) hinaus gespannt werden.
In den 2 bis 4 ist ein Vorspannsystem für eine Ritzelbaugruppe 200 gezeigt. Das System 200 umfasst eine Steuerlogik 210 (zum Beispiel wie in 4 gezeigt), die dahingehend konfiguriert ist, das Spannen einer Ritzelbaugruppe fortzusetzen, bis eine vorbestimmte Änderung in der Reaktionskraft an einem Ende der Ritzelbaugruppe verwirklicht wird. Ein Einschluss mit einer Zugangstür 260 umgibt den Wirkungspunkt des Vorspannsystems für Ritzelbaugruppe 200.
Das System 200 umfasst eine Druckstellorganbaugruppe 225, wie in 3 gezeigt, die dahingehend konfiguriert ist, eine lineare Kraft an ein Ende der Ritzelbaugruppe anzulegen. Die Druckstellorganbaugruppe 225 umfasst einen Kugelumlaufspindelstößel, der in einer Hülse 255 eingeschlossen ist. Ein Servomotor 250 ist mit dem Kugelumlaufspindelstößel verbunden. Ein Controller, zum Beispiel 270, in den 2 und 4 gezeigt, kann verdrahtet oder drahtlos mit dem Motor verbunden werden, um die Druckstellorganbaugruppe 225 zu steuern. Ein Positionssensor 245, in diesem Fall ein Kugelumlaufspindel-Positionscodierer, ist in dem Hülsengehäuse 255 enthalten. Der Positionssensor 245 ist in dem Druckstellorgan enthalten, um die Verlagerung zwischen jedem Lager zu messen. Der Sensor 245 ist dahingehend konfiguriert, die Umdrehungen der Antriebsschraube in dem Druckstellorgan zu zählen, um die zurückgelegte Entfernung (oder Verlagerung) zu bestimmen.
Die Druckstellorganbaugruppe 225 ist mit einem Endwerkzeug oder einer Endwerkzeugbaugruppe 220, wie in den 2 bis 4 gezeigt, versehen. Zwischen der Endwerkzeugbaugruppe 220 und der Druckstellorganbaugruppe 225 befindet sich eine obere Lastreaktionsplatte des Drucksystems 235. An dem anderen Ende des Endwerkzeugs 220 befindet sich eine untere Lastreaktionsbasis des Drucksystems 230. Ein Trägergehäuse 30 enthält die Ritzelbaugruppe. Ein Ritzelkopf-Lastreaktionswerkzeug 265 ist mit der Reaktionsbasis 230 verbunden. Das Endwerkzeug 220, wie in den 2 bis 4 gezeigt, ist mit zwei Antriebsmotoren 300, 310 verbunden. Der Motor 300 ist ein Ritzelachsenservomotor, der das Ritzel daran hindert, während des Spannens zu drehen. Der Motor 310 ist ein Mutterachsenservomotor, der eine Ritzelmutter (zum Beispiel 120, wie unter Bezugnahme auf 1 besprochen) während des Spannens festzieht. Das Endwerkzeug 220, wie in 4 gezeigt, weist einen Muttereinsatz 320 (oder Drehmomentschlüsseleinsatz) auf, der dahingehend konfiguriert ist, die Ritzelmutter gelagert auf einem Ende der Ritzelbaugruppe festzuziehen, um Einstellungen an der Ritzelbaugruppe nach dem Spannen zu wahren. Ein Dorn 330 ist auf dem Muttereinsatz 320 gelagert gezeigt. Die Reaktionslast F_R wird von einem Kraftsensor oder Messgrößenumformer (zum Beispiel 430, wie teilweise gezeigt) gemessen. Das Endwerkzeug 220 ist mit zwei Drehmomentachsen, die Antriebsmotoren 300, 310 haben, verbunden. Die erste Drehmomentachse steuert den Ritzeleinsatz. Die zweite Drehmomentachse steuert einen internen Keilwelleneinsatz (zum Beispiel 410, wie in 5 gezeigt). Das Endwerkzeug 220 umfasst koaxiale Drehkeilwellen (nicht gezeigt) zum Antreiben des Ritzelmuttereinsatzes und des Keilwelleneinsatzes. Eine Fluchtungskupplung ist in dem Endwerkzeug 220 enthalten, um die Drehkeilwelle mit dem Ritzeleinsatz zu kuppeln.
Das Druckstellorgan 225, wie in 4 gezeigt, ist mit einem Controller 270 verbunden, der dahingehend konfiguriert ist, das Druckstellorgan und das Endwerkzeug 220 gemäß einer Regelfunktion zu steuern. Bei dieser Ausführungsform ist der Controller 270 mit einem Benutzerdisplay oder einem Monitor 280 und einer Tastatur 290 (in 2 gezeigt) verbunden. Das Benutzerdisplay 280 ist dahingehend konfiguriert, die Reaktionskraft und die Verlagerung der Ritzelbaugruppe während des Betriebs des Spannsystems anzuzeigen. Verschiedene Typen von Daten können auf dem Benutzerdisplay 280 angezeigt werden, darunter zum Beispiel die Reaktionskraft, die angelegte Kraft, die Verlagerung und die Zeit. Der Controller 270 umfasst eine Steuerlogik 210 für das Stellorgan, die dahingehend konfiguriert ist, das Betätigen des Druckstellorgans gemäß einer Änderung in der gemessenen Reaktionskraft und Verlagerung zu stoppen und so die Ritzellagerbaugruppe vorzuspannen.
Nach dem Vorspannen, während die Position des Druckstellorgans konstant gehalten wird, wird die Ritzelmutter 120 festgezogen, um das Vorspannen beim Ausrücken des Werkzeugs zu wahren. Bei einer Ausführungsform wird die Mutter 120 festgezogen, bis eine Änderung (Last_änderung) in der Stellorganlast in konstanter Position beobachtet wird. Das Niveau der Last_änderung hängt von der maximalen Vorspannung des Abstandhalters und einer Lagerlaufringpassungsvorspannung ab, wie sie während des Betätigens des Druckstellorgans aufgezeichnet werden. Der Controller 270 hat eine Rechnerlogik 350, die dahingehend konfiguriert ist, die Last_änderung basierend auf der gemessenen maximalen Abstandhaltervorspannung und Vorspannung der Lagerlaufringpassung abzuleiten. Der Controller 270 hat eine gespeicherte Rechnerlogik für zwei Komponenten: 1 – die Last, die erforderlich ist, um den Lagerlaufring auf die dazu passende Welle zu passen – Last_{Lagerlaufring}; und 2 – die maximale Last, die erforderlich ist, um den faltbaren Abstandhalter zusammenzudrücken – Last_{Abstandhalter}. Daraus wird eine Änderung in der Last (Last_änderung) berechnet. Sobald die Änderung in der Last diesem berechneten Ziel entspricht, wird die Ritzelmutter ausreichend festgezogen, und die zuvor angelegte Vorspannung wird aufrechterhalten. Die Gleichung in der Rechnerlogik für die Änderung in der Reaktionskraft ist die folgende: Last_änderung = mx(Last_{Abstandhalter} – Last_{Lagerlaufring} – C). Bei einer Ausführungsform ist „m“ ein konstanter Multiplikator, der aus empirischen Studien abgeleitet wird. Der Multiplikator m liegt zum Beispiel zwischen 0,03 und 0,08. Ein konstanter Zusatz C wird ebenfalls empirisch bestimmt. Der Zusatz C wird von der maximalen Abstandhaltervorspannung und Lagerlaufringvorspannung abgezogen. Bei einer Ausführungsform beträgt C zwischen 100 und 350 lbs.
Eine Regressionsanalyse kann untersucht werden, um die Lagervorspannung vorauszusagen und eine Fehlermarge (oder ein oberes unter unteres Kontrolllimit) für jede Kraftablesung zu berechnen. Durch Gebrauch eines Druckstellglied-Controllers mit Kraft-zu-Entfernungs-Überwachung und Regelkreissteuerung basierend auf Kraft und Entfernung, kann man die Lagerlaufringpassung und Kraft des zusammenfaltbaren Abstandhalters subtrahieren und die Vorspannkraft direkt anwenden. Diese Technik erlaubt den Gebrauch von Kraft direkt anstelle einer Ersatzmessung, wie zum Beispiel das Schleppmoment für den Schlüsselprozessindikator.
Der Controller, wie in 4 gezeigt, weist ferner einen Speicher 360 auf, der dahingehend konfiguriert ist, Vorspanninformationen für eine Vielzahl von Ritzelbaugruppen zu speichern. Der Speicher 360 kann jeder Typ Random-Access-Speicher sein, wie zum Beispiel RAM, dynamischer RAM (oder DRAM), statischer RAM (oder SRAM), One Time Programmables (oder OTPs) oder USB-Speicher. Der Controller umfasst auch eine Anzeigelogik (nicht gezeigt), um Text- und grafische Anzeigen des Systems 200 auf dem Benutzerdisplay 280 zu steuern.
In den 5 und 6 ist ein Querschnitt des Systems 200 mit der darin eingebauten Ritzelbaugruppe 10 gezeigt. Das Trägergehäuse 30 ist im Querschnitt gezeigt. Das Trägergehäuse 30 ist dahingehend konfiguriert, den Kopf 70 der Ritzelbaugruppe zu umschließen. Das Schrägkugellager 80 des Kopfes und das Schrägkugellager 110 des Endes sind ebenfalls im Querschnitt gezeigt. Die Lager 80, 110 sind ACBBs. Die Lager 80, 110 sind auf der Ritzelwelle 90 gelagert und durch den Abstandhalter 100 getrennt.
Die Ritzelmutter 120 ist auf dem Ende der Ritzelbaugruppe 110, wie in 4 gezeigt, gelagert. Das eingreifende Ende des Druckstellorgans mit dem Muttereinsatz 320 ist ebenfalls im Querschnitt gezeigt. Der Dorn 330 ist auf dem Außenlaufring des Endwerkzeugs 220. Der Messgrößenumformer 430 ist ebenfalls im Querschnitt in der Nähe des Dorns 330 gezeigt. Auf dem Innenlaufring ist der Muttereinsatz 320 gezeigt, der dahingehend konfiguriert ist, mit der Ritzelmutter (zum Beispiel 120, wie in 1 gezeigt) zusammenzupassen. Die zentrale Achse des Endwerkzeugs 220 ist mit einer Antriebswelle 400 versehen, die an einen Keilwelleneinsatz 410 gekuppelt ist. Der Keilwelleneinsatz 410 ist dahingehend konfiguriert, in Keilwellen an dem Ende der Ritzelwelle 130 einzugreifen, um ein Gegendrehmoment während des Spannens anzulegen. Zwischen dem Keilwelleneinsatz 410 und dem Ritzelmuttereinsatz 320 befindet sich eine Reihe Linearkugellager (nicht gezeigt). In 5 befindet sich der Muttereinsatz 320 des Vorspannsystems für Ritzelbaugruppe 200, wie in den 2 bis 4 gezeigt, in einer ausgerückten Position. Der Keilwelleneinsatz 410 ist ebenfalls aus der Ritzelwelle 90 ausgerückt. In 6 ist ein Muttereinsatz 320 in der eingerückten Position, mit der Ritzelmutter 120 gekuppelt gezeigt. Der Keilwelleneinsatz 410 ist mit dem Ende der Ritzelwelle 130 gekuppelt.
Während des Betätigens des Druckstellorgans 225 wird an die Ritzelbaugruppe 10 eine axiale Spannung angelegt, wie in dem Körperschema der 7 gezeigt. In 7 ist ein Körperschema der Ritzelbaugruppe 10 der 5 und 6 aus dem Vorspannsystem für eine Ritzelbaugruppe entfernt gezeigt. An dem Ende der Ritzelwelle 130 wird eine axiale Kraft (F_A) von dem Servomotor angelegt. Diese Kraft ist als die Anlegekraft dargestellt. Die Ritzelbaugruppe ist axial mit dem Kopflager 80 neben dem Kopf der Ritzelbaugruppe 10 ausgerichtet. Wenn der Servomotor axiale Kraft (F_A) anlegt, entsteht an dem Kopf der Ritzelbaugruppe 70 eine Reaktionskraft (F_R). Bei dieser Ausführungsform wird die Reaktionskraft, F_R, von dem Kraftsensor oder Messgrößenumformer (zum Beispiel 430, wie in 4 gezeigt) gemessen. Daten in Zusammenhang mit der Reaktionskraft und der Verformung werden verwendet, um die Vorspannung der Ritzelbaugruppe wie hier besprochen zum Beispiel in Bezug auf die 8 und 9 zu bestimmen. 8 veranschaulicht eine Aufzeichnung 500 der Reaktionskraft im Vergleich zu der Lagerverlagerung, die durch ein beispielhaftes Vorspannsystem für eine Ritzelbaugruppe erzeugt wird. Auf der x-Achse steht die lineare Verlagerung für die Ritzelbaugruppe nach dem Beginn des Spannens. Auf der y-Achse steht die Reaktionskraft an dem Ende der Ritzelbaugruppe, gemessen von dem Messgrößenumformer (zum Beispiel 430, wie in 4 gezeigt). Ein Systemcontroller (zum Beispiel 270, wie in 4 gezeigt) ist dahingehend konfiguriert, die Kraft-Verlagerungs-Kurve aufzuzeichnen. In der Aufzeichnung 500 der 8 steigt die Reaktionskraft für die Ritzelbaugruppe anteilmäßig zur Verformung. Die Anwendung dieser ursprünglichen Kraft führt zu der Ritzelendlagerpassung in Bezug zu der Ritzelwelle. In dieser Grafik kann der Punkt A als Last_{Lagerlaufring} definiert werden. Während das Stellorgan das Endlager mit steigender Kraft entlang dem Ritzelschaft drückt, wird die Ritzelbaugruppe steif und der Abstandhalter wird elastisch verformt. Wenn der Abstandhalter sein Nachgebelimit, Punkt B, erreicht, entspricht das der maximalen Abstandhaltervorspannung oder Last_{Abstandhalter}. Die Reaktionskraft sinkt, bis die Ritzelbaugruppe axial in Punkt C starr wird. Zwischen den Punkten B und C verformt sich der faltbare Abstandhalter plastisch und die Reaktionskraft sinkt. Nach dem Punkt C treten die Lager in elastische Verformung oder Vorspannung ein. Die Nettokraft, die nach dem Punkt C gemessen wird, ist die resultierende Spannung, die in die Lagervorspannung einfließt. Das Betätigen des Druckstellorgans kann zum richtigen Zeitpunkt nach dem Punkt C gestoppt werden, um die gewünschte Vorspannung der Ritzelbaugruppe zu erzielen. Durch Überwachen der Verlagerung und der Reaktionskraft können die Punkte auf der Aufzeichnung grafisch oder numerisch erfasst werden.
9 veranschaulicht eine Aufzeichnung 550 der Reaktionskraft im Vergleich zu der Lagerverlagerung, die durch ein anderes beispielhaftes Vorspannsystem für eine Ritzelbaugruppe erzeugt wird. Auf der x-Achse ist die lineare Verlagerung für die Ritzelbaugruppe nach dem Beginn des Spannens in Zoll angezeigt. Auf der y-Achse ist die Reaktionskraft in Pfund angezeigt. Auf der Aufzeichnung 550 der 9 steigt die Reaktionskraft für die Ritzelbaugruppe anteilmäßig zur Verformung. Die Anwendung dieser ursprünglichen Kraft führt zu der Lagerpassung des Ritzelendes in Bezug zu der Ritzelwelle. In dieser Grafik kann der Punkt D als Last_{Lagerlaufring} definiert werden. Während zusätzliche Kraft angelegt wird, erfährt die Ritzelbaugruppe zusätzliche elastische Verformung des Abstandhalters. Wenn der Abstandhalter sein Nachgebelimit erreicht, Punkt E, ist das die maximale Abstandhaltervorspannung oder Last_{Abstandhalter}. Die Reaktionskraft sinkt, bis die Ritzelbaugruppe axial im Punkt F starr wird. Zwischen den Punkten E und F verformt sich der faltbare Abstandhalter plastisch und die Reaktionskraft ändert sich. Nach dem Punkt F treten die Lager in elastische Verformung oder Vorspannung ein. Die nach dem Punkt F gemessene Nettokraft ist die resultierende Spannung, die in die Lagervorspannung einfließt. Das Betätigen des Druckstellorgans kann im geeigneten Zeitpunkt nach dem Punkt F gestoppt werden, um die gewünschte Vorspannung der Ritzelbaugruppe zu erzielen. Einige der beispielhaften offenbarten Ausführungsformen sind dahingehend konfiguriert, die Betätigung eines Druckstellorgans gemäß Informationen zu steuern, die von der Aufzeichnung Kraft im Vergleich zur Verlagerung abgeleitet werden, da mehrere Hinweise der Aufzeichnung verwendet werden können, um den Punkt des Nachgebens des Abstandhalters und die gewünschte Vorspannung der Ritzelbaugruppe zu bestimmen. Bei einer Ausführungsform ist der Controller dahingehend konfiguriert, die Aufzeichnung Kraft im Vergleich zur Verlagerung zu lesen und die gemessene Reaktionskraft zu bestimmen. Sobald die Reaktionskraft einem vorbestimmten Limit entspricht, wird bestimmt, dass die Ritzelbaugruppe ausreichend vorgespannt wurde. In der Abfolge wird das Vorspannsystem gespannt und die gemessenen Niveaus der Punkte A und B (oder D und E, wie jeweils in den 8–9 gezeigt) werden überwacht und gespeichert. Ein Stoppen erfolgt an dem Punkt C/F plus eines Vorgabewerts, zum Beispiel 2000 Pfund. Diese Position wird beibehalten und das System beginnt, die Mutter zu spannen. Während die Mutter „frei dreht“, bleibt die Spannung an der Endposition konstant. Sobald die Mutter beginnt, die Endlagerbaugruppe zu kontaktieren, beginnt die überwachte Spannung zu sinken. Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Controller dahingehend konfiguriert, die Aufzeichnung Kraft im Vergleich zur Verlagerung zu lesen, um die Lagervorspannung durch Überwachen des Gefälles der Kurve zu bestimmen. Wie in den 8–9 gezeigt, stellt das Gefälle der Kraft im Vergleich zur Verlagerung die Rate der Änderung in der Reaktionskraft über die Entfernung dar. Diese Rate oder dieses Gefälle ist, nachdem die Ritzelbaugruppe fest geworden ist, das heißt nach dem Punkt C, wesentlich höher. Das Gefälle der Kraft im Vergleich zur Verlagerung dient als ein weiterer Hinweis auf die Lagervorspannung. Bei dieser Ausführungsform kann der Controller konfiguriert werden, das Betätigen des Druckstellorgans zu stoppen, sobald das Gefälle der Kurve größer ist als ein vorbestimmtes Gefälle (zum Beispiel 270.000 lb/in).
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein Controller ebenso dahingehend konfiguriert, die Aufzeichnung Kraft im Vergleich zur Verformung zu lesen, um die Lagervorspannung durch Überwachen der Änderung des Gefälles der Kurve zu bestimmen. Wie in 8–9 gezeigt, ändert sich das Gefälle der Aufzeichnung Kraft im Vergleich zur Verlagerung bei Zunahme der Verlagerung und der Reaktionskraft. Die Änderung des Gefälles der Aufzeichnung Kraft im Vergleich zur Verlagerung dient als ein weiterer Hinweis auf die Lagervorspannung. Bei dieser Ausführungsform kann der Controller konfiguriert werden, das Betätigen des Druckstellorgans zu stoppen, sobald sich das Gefälle der Kurve mehr als eine vorbestimmte Anzahl von Malen ändert (zum Beispiel dreimal oder mehr). Hysterese kann in die Steuerlogik programmiert werden, um die normalen Systemschwankungen auszuschließen. Als Fehlerprüfung kann das System zum Beispiel das Betätigen der axialen Kraft stoppen, wenn eine Reaktionskraft mehr als eine vorbestimmte Anzahl Male erfasst wird. Die Regressionsanalyse kann untersucht werden, um eine Fehlermarge oder ein oberes und unteres Kontrolllimit für die Kraftablesungen zu berechnen.
Wie oben gelehrt, umfasst die Offenbarung ein Verfahren zum Vorspannen von Ritzellagerbaugruppen und kann für Ritzellagerbaugruppen von Kraftfahrzeugantriebsachsen oder auf jeder Art von Welle oder Spindel, die eine Vorspannlagerbaugruppe aufweist, verwendet werden. Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst die folgenden Schritte: Anlegen einer axialen Kraft an eine Ritzelbaugruppe (zum Beispiel mit einem Druckstellorgan 225, wie in den 2 bis 4 gezeigt); Beurteilen einer Reaktionskraft an der Ritzelbaugruppe (zum Beispiel mit einem Messgrößenumformer 430, wie in 4 gezeigt); Beurteilen einer Lagerbaugruppenverlagerung und Stoppen des Anlegens der axialen Kraft basierend auf einer Änderung in der Reaktionskraft. Das Verfahren kann durch das oder die oben besprochenen Vorspannsystem(e) für Ritzelbaugruppen ausgeführt werden. Die Systeme umfassen Controller, die jede Art von Mikrocontroller mit Algorithmen sein können, die auf Read-Only-Speichern (oder ROM), RAM oder USB-Speichern programmiert sind.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Messens einer Lagerlaufringvorspannung; Messen einer maximalen Abstandhaltervorspannung und Stoppen des Anlegens der axialen Kraft gemäß einer Gleichung für die Änderung in der Reaktionskraft. Bei dieser Ausführungsform ist die Änderung der Reaktionskraft gleich der Summe der Abstandhaltervorspannung abzüglich der Lagerlaufringvorspannung abzüglich einer Konstanten, multipliziert mit einem Multiplikator.
Der Controller kann zum Beispiel einen Grafikcontroller zum Anzeigen von Informationen, wie zum Beispiel die Aufzeichnung der Kraft im Vergleich zu der Verlagerung auf einem Benutzerdisplay oder einem Bildschirm umfassen. Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren: Beurteilen eines Gefälles einer Aufzeichnung Reaktionskraft im Vergleich zur Verlagerung (wie zum Beispiel unter Bezugnahme auf die 8–9 besprochen). Der Controller kann konfiguriert werden, um das Anlegen der axialen Kraft zu stoppen, wenn das Gefälle der Aufzeichnung Reaktionskraft im Vergleich zur Verlagerung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, zum Beispiel 11.000 lb/in. Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren: Stoppen des Anlegens der axialen Kraft nach einer vorbestimmten Anzahl von Änderungen des Gefälles der Aufzeichnung Reaktionskraft im Vergleich zur Verlagerung.
Eine Änderung in der Reaktionskraft kann quantifiziert werden, indem man die Verlagerung oder andere Merkmale des Systems benutzt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform eines Systems zum Vorspannen einer Ritzellagerbaugruppe wird die Änderung in der Reaktionskraft zeitlich gemessen. Ein Timer ist mit dem Systemcontroller verbunden, um Änderungen in der Reaktionskraft über die Zeit zu messen. Eine Anwendungskraft wird gemäß einem Algorithmus angelegt. Die Anwendungskraft kann mit einer wechselnden Rate ständig steigen oder sinken. Änderungen der Reaktionskraft stellen einen Hinweis auf das Vorspannen der Ritzelbaugruppe bereit. Die Aufzeichnung der Änderungsrate oder das Gefälle der Reaktionskraft im Vergleich zur Zeit kann als ein Hinweis auf das Vorspannen der Ritzelbaugruppe verwendet werden. Oder eine Regressionsgleichung kann entwickelt werden, indem ein Experiment für eine Beziehung zwischen der Reaktionskraft und der Zeit entwickelt wird.
Während die besten Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung ausführlich beschrieben wurden, erkennt der Fachmann des Gebiets der Erfindung unterschiedliche alternative Konzepte und Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung innerhalb des Geltungsbereichs der anliegenden Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7251892 [0003]

Claims

Vorspannsystem für eine Ritzelbaugruppe, Folgendes aufweisend: ein Druckstellorgan, das dahingehend konfiguriert ist, eine axiale Kraft gegen eine Ritzelbaugruppe anzulegen; einen Kraftsensor, der dahingehend konfiguriert ist, eine Reaktionskraft an der Ritzelbaugruppe zu messen, und einen Controller, der dahingehend konfiguriert ist, das Druckstellorgan gemäß einer Änderung in der Reaktionskraft zu steuern.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller dahingehend konfiguriert ist, eine Abstandhaltervorspannung und eine Lagerlaufringvorspannung zu beurteilen, und wobei der Controller dahingehend konfiguriert ist, das Betätigen des Druckstellorgans gemäß einer Gleichung für die Änderung in der Reaktionskraft zu stoppen, wobei die Änderung in der Reaktionskraft gleich der Summe der Abstandhaltervorspannung abzüglich der Lagerlaufringvorspannung abzüglich einer Konstanten multipliziert mit einem Multiplikator ist.
System nach Anspruch 2, wobei die Konstante zwischen 100 und 350 lbs liegt.
System nach Anspruch 3, wobei der Multiplikator zwischen 0,03 und 0,08 liegt.
System nach Anspruch 1, wobei das Druckstellorgan mit einem Endwerkzeug versehen ist, das einen Muttereinsatz aufweist, der mit einem Antriebsmotor verbunden ist, wobei der Muttereinsatz dahingehend konfiguriert ist, eine Mutter festzuziehen, die an einem Ende der Ritzelbaugruppe gelagert ist.
System nach Anspruch 5, wobei das Endwerkzeug einen Keilwelleneinsatz aufweist, der dahingehend konfiguriert ist, an dem Ende der Ritzelbaugruppe gesichert zu werden und eine Welle der Ritzelbaugruppe daran zu hindern, während des Spannens zu drehen.
System nach Anspruch 6, das ferner Folgendes aufweist: einen ersten Servomotor, der dahingehend konfiguriert ist, den Muttereinsatz zu drehen, und einen zweiten Servomotor, der dahingehend konfiguriert ist, den Keilwelleneinsatz zu drehen.
System nach Anspruch 1, ferner Folgendes aufweisend: einen Positionssensor, der dahingehend konfiguriert ist, eine Verlagerung in der Ritzelbaugruppe während des Spannens zu messen.
System nach Anspruch 8, ferner Folgendes aufweisend: ein Benutzerdisplay, das dahingehend konfiguriert ist, die Reaktionskraft und die Verlagerung der Ritzelbaugruppe anzuzeigen.
System nach Anspruch 1, wobei der Kraftsensor ein Messgrößenumformer ist.