-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft einen Planetenbolzen, der hohl mit einer inneren Fläche und einer zylindrischen äußeren Fläche, sowie mit einer durch die Flächen zumindest teilweise begrenzten Wand ausgebildet ist, wobei die innere Fläche um eine Symmetrieachse verläuft und dieser zugewandt ist und die äußere Fläche um die Symmetrieachse verläuft sowie von der Symmetrieachse weg gewandt ist, und wobei die Wand sich radial zwischen den Flächen erstreckt. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Planetentrieb mit Planetenbolzen und ein Verfahren zur Herstellung eines Planetenbolzens.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Gattung Planetenbolzen betrifft Planetenbolzen, deren Kanäle im Einbaufall zwar endseitig mittels geeigneter Mittel wie Kugeln oder Stopfen verschlossen sind, die als einzelne Bauteile jedoch jeweils mit einem axial durchgängigen Kanal versehen sind. In der Regel sind diese Planetenbolzen hohlzylindrische Bauteile, die dementsprechend innen ein zylindrisches Loch mit einer inneren Fläche und außen eine außenzylindrische Fläche aufweisen. Die Bauteile werden in der Regel aus Rohr hergestellt, von dem Rohlinge abgestochen werden, deren Länge der Breite der Planetenbolzen entspricht. Die außenzylindrische Fläche wird durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt und zur Herstellung von Laufbahnqualitäten für die Planetenlagerungen durch Schleifen und Honen feinstbearbeitet. Die Herstellung derartiger Planetenbolzen ist deshalb entsprechend zeit- und kostenaufwändig.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen.
-
Die Aufgabe ist nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
-
Danach ist der hohle Planetenbolzen an seinem Umfang einmal durchgängig geschlitzt. Der Schlitz erstreckt sich vollständig von einem axialen Ende zu dem anderen axialen Ende des Planetenbolzens und radial durch die Wand des hohlen Planetenbolzens hindurch.
-
Eine derartige Ausbildung des Planetenbolzens macht es möglich, den Planetenbolzen einfacher und kostengünstiger als die bisher bekannten Planetenbolzen herzustellen.
-
Dementsprechend sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Planetenbolzens vor. Der Planetenbolzen wird aus einem Bandmaterial hergestellt, das in seiner Ausgangsform zunächst flach oder zum Coil aufgewickelt vorliegt. Die Breite des Metallbands entspricht vorzugsweise der Breite des zukünftigen Planetenbolzens zuzüglich eventuell notwendiger Bearbeitungszuschläge. Die Dicke des Metallbandes entspricht vorzugsweise der Wanddicke des zukünftigen hohlen Bolzens zuzüglich eventueller Bearbeitungszuschläge für das Finishen von Wälzlaufbahnen.
-
Das Band wird auf eine Länge geschnitten, die an allen beliebigen Stellen quer zur Breite des Bandes gemessen dem Innenumfang des zukünftigen Planetenbolzens entspricht, wobei die am Innenumfang gemessene Breite des Schlitzes von dieser Länge abgezogen werden muss. Alternativ wird das Band auf eine Länge geschnitten, die an allen beliebigen Stellen quer zur Breite des Bandes gemessen dem Außenumfang des zukünftigen Planetenbolzens entspricht, wobei die am Außenumfang gemessene Breite des Schlitzes von dieser Länge abgezogen werden muss.
-
Der auf Länge geschnittene Rohling des zukünftigen Planetenbolzens wird um eine Biegeachse möglichst kreisrund gebogen, wobei die Biegeenden, die die Schnittenden des Rohlings sind, aufeinander zu gebogen werden, so dass sich die Biegeenden an dem Schlitz des fertigen Planetenbolzens einander gegenüberliegen. Die Biegeachse entspricht der späteren Symmetrieachse. Die Symmetrieachse ist im Wesentlichen Symmetrieachse für die äußere Fläche. Die innere Fläche ist vorzugsweise innenzylindrisch, kann aber auch beliebige andere Konturen aufweisen. Die äußere Fläche ist kreiszylindrisch. Der fertig gebogene Planetenbolzen kann anschließend wärmebehandelt und ggf. noch feinbearbeitet werden. Ausnahmen in der Symmetrie des Planetenbolzens sind durch den Schlitz begründet.
-
Eine derartige Herstellung des Planetenbolzens ist kostengünstig, materialsparend und insbesondere in der Massenproduktion wesentlich billiger als die klassische spanabhebende Herstellung der Planetenbolzen. Die äußere Fläche kann bei der Verwendung entsprechender Bandqualität ohne oder ohne wesentliche spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden. Der Planetenbolzen kann auch ungehärtet bleiben. In diesem Fall kann als Planetenlagerung zum Beispiel ein Gleitlager eingesetzt sein, dessen armierter Gleitring fest auf dem Planetenbolzen sitzt. Alternativ kann ein Wälzlager als Planetenlager eingesetzt sein, wobei die Außenlaufbahn auf einem gehärteten Lagerring, beispielsweise auf einer dünnwandigen Lagerhülse, ausgebildet sein, der fest auf dem Planetenbolzen sitzt.
-
Planetenräder werden sehr oft mit Planetenlagern oder Planetenlagerungen aus mehreren Planetenlagern auf dem Planetenbolzen gelagert, die in modernen Fahrzeuggetrieben Wälzlager mit Rollen oder Nadeln sind und deren Wälzlaufbahnen an den Oberflächen der benachbarten Bauteile ausgebildet sind. In dem jeweiligen Planetenrad ist eine innenzylindrische Innenlaufbahn und auf der äußeren Fläche des Planetenbolzens eine Außenlaufbahn ausgebildet.
-
An die Qualität der Wälzlaufbahnen sind besonders hohe Anforderungen gestellt. Ein Schlitz in einer Wälzlaufbahn könnte von dem Fachmann zunächst aufgrund dieser hohen Anforderungen als ungeeignet erscheinen. Der Schlitz wird durch die Wälzkörper ständig überrollt, was zu großen Unregelmäßigkeiten im Wälzkontakt führen könnte. Besonders nachteilig würde sich ein derartiger Schlitz auf der Laufbahn auswirken, wenn dieser zur Symmetrieachse parallel, d.h. auf kürzestem Wege zwischen beiden axialen Enden des Planetenbolzens verläuft. Die jeweilige Rolle würde in diesem Fall im Wälzkontakt über ihre gesamte Breite in die durch den Schlitz gebildete Kerbe an der Oberfläche der Wälzlaufbahn rollen. Deshalb sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Schlitz in einer gedachten Abwicklung der Zylinderflächen durch Geraden mit linearem Anstieg oder durch Kurven mit degressiven oder progressiven Anstiegen beschrieben ist. Der Anstieg wird dabei über beliebigen axial ausgerichteten und zur Symmetrieachse ausgerichteten Mantellinien der äußeren Fläche betrachtet. Mit anderen Worten, der Schlitz verläuft nicht achsparallel zur Symmetrieachse sondern überstreicht von einem Ende zu dem anderen Ende einen bestimmten Umfangsbereich des Planetenbolzens. Wenn der Schlitz beispielsweise an einem Ende bei einer Stellung am Winkel von 0° (auf 12 Uhr) beginnt kann dieser an dem anderen Ende beim Winkel 90° (auf 3 Uhr) enden und dementsprechend von einem Ende zu dem anderen Ende einen Bogenwinkel von 90° überstreichen. Es ist auch denkbar, dass der Schlitz einmal oder sogar spiralförmig mehr als einmal um die Rotationsachse verläuft. Es wird jedoch aufgrund der Laufqualität und erhöhter Lebensdauer angestrebt, dass so wenig wie möglich Wälzkörper zugleich und jeder Wälzkörper anteilig so wenig wie möglich auf einmal im Wälzkontakt den Schlitz überrollt. Deshalb sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Schlitz in seinem Verlauf von dem einen Ende zu dem anderen Ende des Planetenbolzens höchstens die Hälfte des Innen- oder Außenumfangs, also einen Umfangsbereich von höchstens 180 überstreicht.
-
Über die Wälzlager werden die Planetenräder gegen die aus dem Zahneingriff und aus den Fliehkräften resultierenden Kräfte am Planetenbolzen abgestützt. Dabei tragen nicht alle Wälzkörper des Wälzlagers sondern nur die in der Lastzone befindlichen und dabei die Lastzone durchrollenden Wälzkörper. Die Lastzonen sind Zonen an der Oberfläche des Planetenbolzens, die sich an einem Teil des Umfangs der äußeren Fläche abbilden und deren Größe von der Nachgiebigkeit des Planetenrades und durch das Spiel der Planetenlagerung bestimmt sind. Die anderen Umfangszonen sind von Belastungen frei.
-
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht deshalb vor, dass der Planetenbolzen so an einem Planetenträger angeordnet ist, dass der Schlitz außerhalb der durch einen Teil des Umfangs beschriebenen Lastzone der äußeren Fläche verläuft, wobei das Planetenrad oder ein Planetenlager in wenigstens einem oft gefahrenen Betriebszustand des Planetentriebs unter Last gegen Belastungen des Zahneingriffs über die Lastzone an dem Planetenbolzen abgestützt ist.
-
Die Erfindung ist besonders für den Einsatz in Planetentrieben geeignet, die beispielsweise als Planetendifferenziale von Fahrzeugen ausgebildet sind. Bei Geradeausfahrt läuft ein derartiger Planetentrieb im Block um, so dass in weiten Bereichen des Fahrzyklus des jeweiligen Fahrzeugs die Wälzkörper die Schlitze in den Planetenbolzen nicht überrollen. Die Planetenräder rotieren nur in relativ schmalen Bereichen des Fahrzyklus und zwar wenn die Differenziale ausgleichen.
-
Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Planetenbolzens 1 in einer Hauptansicht. 2 zeigt den Planetenbolzen 1 aus 1 mit Blick auf eine Stirnfläche 9 an einem Ende 8 des Planetenbolzens 1. Der Planetenbolzen 1 ist hohl mit einer inneren Fläche 2 und einer zylindrischen äußeren Fläche 3, sowie mit einer durch die Flächen zumindest teilweise begrenzten Wand 4 ausgebildet. Die innere Fläche 2 ist innenzylindrisch und verläuft um eine Symmetrieachse 5 wobei sie der Symmetrieachse 5 zugewandt ist und ein zylindrisches Loch 25 begrenzt. Die äußere Fläche 3 verläuft um die Symmetrieachse 5 und ist von der Symmetrieachse 5 weg gewandt. Die Wand 4 erstreckt sich radial zwischen den Flächen 2 und 3, wobei nicht ausgeschlossen ist, dass die Flächen 2 und 3 wahlweise an Fasen oder endseitigen Verrundungen des Planetenbolzens 1 enden. Der Planetenbolzen 1 ist mit einem Schlitz 10 versehen, der sich von einem axialen Ende 7 zu dem anderen axialen Ende 8 des Planetenbolzens 1 erstreckt. Die innere Fläche 2, die äußere Fläche 3 und die Wand 4 sind in Umfangsrichtung durch den Schlitz 10 einmal vollständig unterbrochen. Der Schlitz 10 endet an der jeweiligen Stirnfläche 9 oder 11 des Planetenbolzens 1, die das jeweilige axiale Ende 7 oder 8 axial begrenzen. Wie insbesondere aus 2 hervorgeht, überstreicht der Schlitz 10 in seinem Verlauf von der einen Stirnfläche 11 an dem axialen Ende 7 zu der Stirnfläche 9 an dem anderen axialen Ende 8 weniger als die Hälfte des Außenumfangs, der im Wesentlichen an der äußeren Fläche 3 gemessen ist. Der Verlauf des Schlitzes 10 weicht dazu zwischen den Enden 7 und 8 von zur Symmetrieachse 5 achsparallelen Ausrichtungen um den Winkel α ab (1). Der Außenumfang setzt sich aus der Bogenlänge der um die Symmetrieachse 5 umlaufenden äußeren Fläche 3 und aus der Breite 6 des Schlitzes 10 außen zusammen.
-
3 zeigt ein Schema eines als Differenzial ausgebildeten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Planetentriebs 12. Der Planetentrieb 12 weist einen Planetenträger 13, einen ersten Satz erster Planetenräder 14 und einen zweiten Satz zweiter Planetenräder 15 und zwei Zentralräder 16 und 17 auf. Die Zentralräder 16 und 17 sind Hohlräder 16’ bzw. 17’, die wie der Planetenträger 13 um die Zentralachse 18 des Planetentriebs 1 rotierbar angeordnet sind. Jedes der ersten Planetenräder 14, von denen nur eines dargestellt ist, ist drehbar auf einem Planetenbolzen 1 gelagert und steht mit dem ersten Hohlrad 16’ im Zahneingriff. Jedes der zweiten Planetenräder 15 ist drehbar auf einem Planetenbolzen 1 angeordnet und steht mit dem zweiten Hohlrad 17’ im Zahneingriff. Die Planetenbolzen 1 sind mit radialem Abstand zu der Zentralachse 18 an dem Planetenträger 13 fest. Die Ausführung der Planetenbolzen 1 ist mit den 1 und 2 beschrieben. Jedes erste Planetenrad 14 steht mit einem zweiten Planetenrad 15 im Zahneingriff, dabei berührt jedoch das jeweilige erste Planetenrad 14 nicht das zweite Hohlrad 17’ und das jeweilige zweite Planetenrad 15 nicht das erste Hohlrad 16’. An dem Planetenträger 13 ist ein Antriebsrad 21 fest, über welches die als Anschlusswellen zu Fahrzeugrädern fungierenden Hohlräder 16’ und 17’ angetrieben werden.
-
4 zeigt ein Schema eines als Differenzial ausgebildeten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Planetentriebs 22. Der Planetentrieb 22 weist einen Planetenträger 23, einen ersten Satz erster Planetenräder 14 und einen zweiten Satz zweiter Planetenräder 15 und zwei Zentralräder 26 und 27 auf. Die Zentralräder 26 und 27 sind Sonnenräder 26’ bzw. 27’, die wie der Planetenträger 23 um die Zentralachse 18 des Planetentriebs 1 rotierbar angeordnet sind. Jedes der ersten Planetenräder 14, von denen nur eines dargestellt ist, ist drehbar auf einem Planetenbolzen 1 gelagert und steht mit dem ersten Sonnenrad 26’ im Zahneingriff. Jedes der zweiten Planetenräder 15 ist drehbar auf einem Planetenbolzen 1 angeordnet und steht mit dem zweiten Hohlrad 27’ im Zahneingriff. Die Planetenbolzen 1 sind mit radialem Abstand zu der Zentralachse 18 an dem Planetenträger 23 fest. Die Ausführung der Planetenbolzen 1 ist mit den 1 und 2 beschrieben. Jedes erste Planetenrad 14 steht mit einem zweiten Planetenrad 15 im Zahneingriff, dabei berührt jedoch das jeweilige erste Planetenrad 14 nicht das zweite Sonnenrad 27’ und das jeweilige zweite Planetenrad 15 nicht das erste Sonnenrad 26’. An dem Planetenträger 13 ist ein Antriebsrad 24 fest, über welches die als Anschlusswellen zu Fahrzeugrädern fungierenden Sonnenräder 26’ und 27’ angetrieben werden. Der Planetenträger 23 ist gleichzeitig ein Gehäuse und Differenzialkorb des Differenzials.
-
5 zeigt einen Querschnitt durch eine Planetenanordnung eines ansonsten nicht weiter dargestellten Planetentriebs, welcher mindestens drei der Planetenanordnungen aufweist. Ein Planetenrad 28 sitzt auf einem Planetenbolzen 30, der einen Schlitz 29 aufweist. Der Schlitz 29 beginnt bei A an einem in der Darstellung nach Figur verdeckten Ende des Planetenbolzens 30 und endet bei B an dem Ende 29a und unterbricht umfangsseitig einmal eine innenzylindrisch ausgebildete innere Fläche 31, eine außenzylindrische äußere Fläche 32 und die Wand 33 zwischen den Flächen 31 und 32 in Umfangsrichtung jeweils einmal vollständig.
-
Das Planetenrad 28 ist mittels eines Wälzlagers 34 auf dem Planetenbolzen 30 um die Symmetrieachse 35 des Planetenbolzens 30 drehbar gelagert. Das Wälzlager 34 weist Nadeln 36 auf, wobei unter Nadeln Rollen zu verstehen sind die im Verhältnis zu ihrer Länge einen kleinen Durchmesser haben. Die Nadeln 36 sind mit gleichmäßigen Abstand zueinander in Umfangsrichtung um den Planetenbolzen 30 verteilt angeordnet und dazu in einem nicht dargestellten Käfig geführt. Die Nadeln 36 laufen direkt auf der äußeren Fläche 32 ab, die somit eine äußere Wälzlaufbahn des Wälzlagers 34 ist. In einer Bohrung 40 des Planetenrades 28 ist die innere Wälzlaufbahn direkt an der innenzylindrischen Fläche 41 der Bohrung 40 ausgebildet. Der Durchmesser der Bohrung 40 entspricht einer Summe aus dem Durchmesser der äußeren Fläche 32 aus dem Doppelten des Durchmessers einer Nadel und aus einem Radialspiel. Das Radialspiel ist fertigungs- und funktionsbedingt.
-
Die Planetenräder 28 stehen im Zahneingriff 37 und 38 mit einem Hohlrad und einem Sonnenrad, wobei das Hohlrad und Sonnenrad nicht dargestellt ist. Unter Last liegen im Zahneingriff 37 an einer Zahnflanke eines Zahnes der Verzahnung 39 des Planetenrades 28 beispielsweise die Kräfte F1 und F2 an. Im Zahneingriff 38 liegen unter Last an einer weiteren Zahnflanke eines Zahnes der Verzahnung 39 die Kräfte F3 und F4 an. 6 zeigt symbolisch die durch die Kräfte F1 bis F4 hervorgerufenen Lastverteilung anhand der Lastverteilungskurve 42 bei großem Spiel in dem Wälzlager 34 und anhand der Lastverteilungskurve 43 bei kleinem Spiel nicht maßstäblich. Es wird davon ausgegangen, dass sich das jeweilige Planetenrad 28 unter Last auch geringfügig elastisch verformt und an die Nadeln 36 im Bereich der Lastzonen 44 und 45 anschmiegt. Die Kräfte F1 und F3 ziehen das Planetenrad 30 in Richtung des Planetenbolzens 30 und verursachen am Planetenbolzen 30 die Reaktionskraft F5 wobei sich das Planetenrad 28 je nach Spiel über eine Lastzone 44 oder 45 der innenzylindrischen Fläche 41 jeweils an so vielen Nadeln 36 abstützt, wie in der jeweiligen Lastzone 44 oder 45 verteilt sind. Die Lastzone 44 ist verursacht durch großes Spiel und umspannt einen Teilumfangsbereich von C1 zu C2 der von der Lastverteilungskurve 42 überspannt ist. Die Lastzone 45 trägt bei kleinem Spiel von D1 zu D2 und ist von der Lastverteilungskurve 43 überspannt. Es ist ersichtlich, dass bei gleicher Last in dem Wälzlager 34 mit weniger Spiel mehr Nadeln 36 tragen als in dem Wälzlager 34 mit größerem Spiel. Dementsprechend ist die Bogenlänge L1 zwischen C1 und C2 der Lastzone 44 kleiner als die Bogenlänge L2 zwischen D1 und D2 der Lastzone 45., wobei L1 in diesem Fall L1 = [½π × Durchmesser der äußeren Fläche] und L2 = [ ¾π × Durchmesser der äußeren Fläche] ist.
-
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Planetenbolzen
30 in einem Planetentrieb so angeordnet ist, dass der Schlitz
46 außerhalb der sich an einem Teil des Umfangs erstreckenden Lastzonen
44 und
45 verläuft, wobei die Richtung anhand der bei oft gefahrenen Betriebszuständen auftretenden Lasten oder bei Betriebszuständen mit extremen Lasten festzulegen ist. Die Zone
46, in der der Schlitz
29 von A nach B einen Anteil der äußeren Fläche
32 überstreicht, ist durch den Winkel γ zwischen D1 und D2 und somit durch die Lastzone
45 bestimmt, wobei der Winkel 0 ≤ γ ≤ 90° ist. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Zone
46, in dem der Schlitz von A nach B verläuft durch die Lastzone
44 bestimmt ist. Dann ist 0 ≤ γ ≤ 180°. Hierzu sei angemerkt, dass bei einem Winkel γ = 0° der Schlitz parallel zur Symmetrieachse und somit axial ausgerichtet auf kürzestem Wege zwischen dem einem und anderem Ende des Planetenbolzens
30 verläuft. Bezugszeichen
| 1 | Planetenbolzen | 24 | Antriebsrad |
| 2 | innere Fläche | 25 | Loch |
| 3 | äußere Fläche | 26 | Zentralrad |
| 4 | Wand | 26’ | Sonnenrad |
| 5 | Symmetrieachse | 27 | Zentralrad |
| 6 | Breite des Schlitzes | 27’ | Sonnenrad |
| 7 | axiales Ende | 28 | Planetenrad |
| 8 | axiales Ende | 29 | Schlitz |
| 9 | Stirnfläche | 29a | Ende |
| 10 | Schlitz | 30 | Planetenbolzen |
| 11 | Stirnfläche | 31 | innere Fläche |
| 12 | Planetentrieb | 32 | äußere Fläche |
| 13 | Planetenträger | 33 | Wand |
| 14 | erste Planetenräder | 34 | Wälzlager |
| 15 | zweite Planetenräder | 35 | Symmetrieachse |
| 16 | erstes Zentralrad | 36 | Nadeln |
| 16’ | erstes Hohlrad | 37 | Zahneingriff |
| 17 | zweites Zentralrad | 38 | Zahneingriff |
| 17’ | zweites Hohlrad | 39 | Verzahnung |
| 18 | Zentralachse | 40 | Bohrung des Planetenrades |
| 19 | erster Planetenbolzen | 41 | innenzylindrische Fläche der Bohrung |
| 20 | zweiter Planetenbolzen | 42 | Lastverteilungskurve |
| 21 | Antriebsrad | 43 | Lastverteilungskurve |
| 22 | Planetentrieb | 44 | Lastzone |
| 23 | Planetenträger | 45 | Lastzone |
| | | 46 | Zone |
