DE102013220063A1

DE102013220063A1 - Planetenradlageranordnung

Info

Publication number: DE102013220063A1
Application number: DE102013220063.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Güttler; Michael Plogmann; Christian Forstner; Sven Claus
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2015-04-02
Also published as: WO2015048950A1

Abstract

Planetenradlageranordnung, umfassend einen Planetenradträger, an dem eine feste Lagerachse vorgesehen ist, auf welcher Lagerachse ein Planetenrad über ein Gleitlager drehgelagert ist, wobei das Gleitlager (9) eine achsseitig vorgesehene erste Gleitschicht und eine radseitig vorgesehene zweite Gleitschicht aufweist, wobei die erste Gleitschicht eine abgeschiedene Hartstoffschicht (8) und die zweite Gleitschicht eine gehärtete Oberflächenschicht (11) ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Planetenradlageranordnung, umfassend einen Planetenradträger, an dem eine feste Lagerachse vorgesehen ist, auf welcher Lagerachse ein Planetenrad über ein Gleitlager drehgelagert ist.
Hintergrund der Erfindung
Eine Planetenradlageranordnung kommt üblicherweise in einem Planetengetriebe zur Anwendung. Ein solches Planetengetriebe besteht üblicherweise aus zumindest einem Sonnenrad, einem Hohlrad und einem Planetenradträger, auf dem mindestens ein Planetenrad auf einer Lagerachse drehbar gelagert ist. Das Sonnenrad treibt beispielsweise das Planetenrad an, wobei zumeist mehrere, beispielsweise drei Planetenräder äquidistant verteilt sind, die gemeinsam über das Sonnenrad angetrieben werden. Das oder die Planetenräder kämmen mit dem Hohlrad, so dass die entsprechende Übersetzung gegeben ist.
Es ist bekannt, das Planetenrad über ein Gleitlager auf der Lagerachse drehzulagern. Üblicherweise kommen Wälzlager zum Einsatz. Insbesondere bei großen Planetengetrieben sind auch hydrodynamische Gleitlager bekannt, die über ein entsprechendes Schmiermittel, beispielsweise Öl, geschmiert werden. Bei hohen Lasten und bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten bewegen sich die Reibpartner des Gleitlagers im sogenannten Mischreibungsbetrieb. Der rotierende Reibpartner wird hierbei nicht vollständig vom zwischenliegenden Schmierfilm getragen, vielmehr ist eine – zumindest teilweise – Oberflächenberührung zwischen dem rotierenden Reibpartner und dem Gegenlaufpartner gegeben.
Generell sollte der Reibpartner, der die Umfangslast trägt, also in der Regel die (drehende) Welle, eine höhere Mikrohärte aufweisen als der Gegenlaufpartner. Aufgrund dieser Ausgestaltung passt sich die Oberflächenkontur des Gegenlaufpartners der Kontur des in der Regel als Welle ausgestalteten Reibpartners an. Nach anfänglichem Einlaufverschleiß bewirkt diese Konturanpassung einen reduzierten Verschleiß durch Verringerung des Mischreibungsanteils bzw. Verschiebung des Mischreibungsgebietes zu kleineren Drehzahlen hin. Die Einlaufphase ist für Gleitlager, wie sie hierbei zum Einsatz kommen, zwingend erforderlich. Im hydrodynamischen Betrieb hingegen wird der eine Reibpartner des Gleitlagers vollständig vom Schmierfilm getragen. Er ist über diesen Schmierfilm vom Gegenlaufpartner getrennt. Der hydrodynamische Zustand ist, verglichen mit dem Mischreibungszustand, bei höheren Relativgeschwindigkeiten (Pressung konstant) oder geringeren Pressungen Relativgeschwindigkeit konstant) gegeben.
Grundsätzlich wäre ein Betrieb im Mischreibungszustand zweckmäßig, da in diesem Bereich üblicherweise das Minimum der Stribeck-Kurve, die den Verlauf der Reibkraft bzw. des Reibkoeffizienten) in Abhängigkeit der Reibgeschwindigkeit im Falle einer hydrodynamischen Reibung beschreibt, gegeben ist. Ausgehend vom Minimum der Stribeck-Kurve steigt bei höheren Reibgeschwindigkeiten die Reibkraft auf Grund der zunehmenden Ausprägung der Flüssigkeitsreibung wieder an.
Üblicherweise ist bei bekannten Gleitlageranordnungen ein Reibpartner der Gleitlagerwerkstoffpaarung mit einer Oberflächenschicht aus Weißmetall oder Bronze versehen bzw. besteht hieraus, während der andere Reibpartner der Werkstoffpaarung eine Oberfläche aus ungehärtetem oder gehärtetem Stahl bzw. eine hartverchromte Oberfläche aufweist. Bei dieser Materialpaarung führt ein häufiger Betrieb des Gleitlagers im Mischreibungsgebiet aufgrund des hohen Oberflächenverschleißes am Reibpartner bestehend aus Weißmetall oder Bronze zu einer frühzeitigen Ausschöpfung des vom System vorgegebenen Verschleißvolumens, ggf. auch zur Schädigung und damit zu einem frühzeitigen Ausfall des Gleitlagers. Das Gebiet der Mischreibung wird insbesondere mit jedem Anlaufen und Auslaufen des Gleitlagers durchlaufen. Wird also das Planetengetriebe in Anwendungen eingesetzt, wo häufig ein Lageranlauf gegeben ist, wie beispielsweise bei großen Planetengetrieben, wie sie z. B. im Bereich von Windkraftanlagen verwendet werden, so sind entsprechende, starke Lagerbelastungen gegeben, die verschleißfördernd sind. Dies ist insbesondere bei großen Planetengetrieben problematisch, als sich ein verschlissenes Lagerbauteil nicht ohne weiteres bzw. wenn überhaupt nur mit sehr hohem Aufwand austauschen lässt.
Um einen möglichst guten Verschleißschutz zu bieten, ist es insbesondere bei großen Planetengetrieben bekannt, eine aktive Schmierung vorzusehen, beispielsweise eine Druckschmierung mittels einer geeigneten Pumpe. Hierbei sind entsprechende Vorkehrungen getroffen, um kontinuierlich Schmiermittel in den Gleitlagerbereich zu fördern, diese also aktiv einzubringen, um den Mischreibungsbetrieb möglichst weit einzuschränken, so dass dieser verschleißfördernde Zustand im Falle eines Lageranlaufs möglichst kurz gegeben ist. Die Vorsehung respektive Integration entsprechender, der aktiven Schmierung dienender Anordnungen ist jedoch aufwändig.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Planetenradlageranordnung anzugeben, die sich durch einen hohen Verschleißschutz bei gleichzeitiger Tauglichkeit zum Mischreibungsbetrieb ohne aktive Schmierung auszeichnet.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Planetenradlageranordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gleitlager eine achsseitig vorgesehene erste Gleitschicht und eine radseitig vorgesehene zweite Gleitschicht aufweist, wobei die erste Gleitschicht eine abgeschiedene Hartstoffschicht und die zweite Gleitschicht eine gehärtete Oberflächenschicht ist.
Die erfindungsgemäße Planetenradlageranordnung zeichnet sich durch eine besondere Werkstoffpaarung im Gleitlager aus. Die erste Gleitschicht ist mittels einer abgeschiedenen Hartstoffschicht gebildet, die beispielsweise mittels PVD- oder PACVD-Verfahren aufgebracht wird. Bei dieser Hartstoffschicht kann es sich beispielsweise um eine diamantähnliche bzw. diamantartige Beschichtung handeln. Insbesondere ist sie als amorphe Kohlenstoffschicht, als sogenannte DLC-Schicht, ausgestaltet. Alternativ zur Verwendung amorpher Kohlenstoffschichten können auch metalldotierte Kohlenstoffschichten Verwendung finden. Die < Hartstoffschicht auch durch Karbonitrieren hergestellt werden. Insbesondere geeignet ist eine harte diamantartige Beschichtung mit der Bezeichnung „Triondur^®” der Anmelderin. Hierunter sind unterschiedliche Schichten wie beispielsweise eine nitridische Chromschicht, eine wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht oder auch kohlenstoffbasierte Schichtsysteme bekannt, die sich jeweils durch extremen Verschleißwiderstand wie auch eine sehr gute Ölbenetzung auszeichnen.
Der zweite Werkstoff des erfindungsgemäß vorgeschlagenen tribologischen Systems ist eine gehärtete Oberflächenschicht. Diese wird bevorzugt durch entsprechende thermische Behandlung und gegebenenfalls Einbringung zusätzlicher, schichthärtender Elemente wie beispielsweise Kohlenstoff und Ähnliches in die üblicherweise als Wälzlagerstahl oder Einsatzstahl wie 18CrNiMo7-6 gebildete Oberflächenschicht des jeweiligen Gleitlagerreibpartners erzeugt. Es sind folglich im erfindungsgemäßen tribologischen System bestehend aus Hartstoffschicht und gehärteter Oberflächenschicht zwei extrem harte Reibpartner gegeben. Aufgrund der geringen Adhäsionsneigung der Hartstoffschicht im Kontakt mit der gehärteten Oberflächenschicht, also der gehärteten Stahlschicht, ist ein sehr geringer Reibbeiwert unter Ölschmierung gegeben. In dessen Folge entsteht beim Gleiten eine sehr geringe Reibarbeit und daraus resultierend eine geringere Wärmeentwicklung im Vergleich zu konventionellen hydrodynamisch ausgefegten Gleitlagersystemen auf Basis von Bronze- und Weißmetallwerkstoffen. Darüber hinaus zeichnet sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene tribologische System durch einen äußerst hohen Verschleißschutz aus, da beide Partner innerhalb der Werkstoffpaarung extrem hart und damit verschleißfest sind. Hierdurch ergibt sich im Betrieb des Gleitlagers eine sehr hohe Mischreibungstauglichkeit, verbunden mit der Möglichkeit, den Betriebspunkt nahe an das Minimum der Stribeck-Kurve zu legen, wo also das optimale Verhältnis aus Rotationsgeschwindigkeit zur Reibkraft gegeben ist. Selbst höhere Anteile an Festkörperreibung können ohne Verschleiß aufgrund der Parameter der beteiligten Schichten ertragen werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass aufgrund der hohen Verschleißfestigkeit das klassische Einlaufen bei dem erfindungsgemäß in der Planetenradlageranordnung integrierten Gleitlager nicht mehr stattfindet. Das tribologische System läuft nicht ein, eine Einglättung von Rauheitsspitzen findet in wesentlich geringerem Maße statt. Hieraus resultiert eine bessere Führungsgenauigkeit, das Betriebsreibmoment steht hier von Beginn an bereit und verändert sich nicht anlagenwirksam. Unterstützt wird dies durch die bevorzugte Einstellung der Substratoberflächen mit Rauheiten Rz < 1, was insbesondere für die Hartstoffschicht, Vorzugsweise aber auch für die gehärtete Oberflächenschicht gilt.
Ein weiterer nennenswerter und sich aus den sehr geringen Reibungsverlusten ergebender Vorteil ist wie beschrieben die deutlich geringere Wärmeentwicklung, die folglich einen wesentlich geringeren Kühlaufwand erfordert. Das Schmiermittel, also das Öl, im Reibkontakt wird nur noch zur Benetzung benötigt, nicht aber zum Kühlen. Infolgedessen sind die benötigten Schmiermittelmengen deutlich geringer, eine aktive Schmiermittelversorgung durch Druckschmierung oder Ähnliches ist folglich nicht mehr erforderlich. Eine Schmierung der Gleitkontakte allein durch Tauchen der Planetenlagerachse mit dem Gleitlager und dem Planetenrad in das Tauchbad des Getriebes ist bereits ausreichend, hierbei ist ein hinreichender Zulauf gegeben. Mit Wegfall der aktiven Schmiermittelversorgung sinkt des Weiteren auch die Störanfälligkeit im Planetengetriebe, die Betriebssicherheit und Anlagenverfügbarkeit steigt. Aufgrund der Verwendung von Stählen und vorzugsweise mittels PVD und/oder PACVD-Verfahren aufgebrachten Hartstoffschichten ist auch eine hohe zulässige Betriebstemperaturgrenze von > 200°C gegeben, das heißt, dass das tribologische Systeme thermisch sehr robust ist und keine technisch relevanten Entfestigungen innerhalb der Werkstoffe, wie dies im Stand der Technik bei Verwendung von Weißmetallen und Bronzen mitunter der Fall ist, auftreten. Da eine Ermüdung der Werkstoffe ausgeschlossen ist, bietet sich ferner die Möglichkeit zum Downsizing sowie zur Erhöhung der Leistungsdichte.
Die Hartstoffschicht sollte eine Härte von wenigstens 800 HV, insbesondere von mindestens 1000 HV bis zu 4000 HV, vorzugsweise von 1100 HV bis 3000 HV, aufweisen, während die gehärtete Oberflächenschicht eine Härte von wenigstens 45 HRC, insbesondere mindestens 53 HRC und vorzugsweise von 55 HRC bis zu 65 HRC aufweisen sollte.
Die Hartstoffschicht ist bevorzugt auf der Achse direkt abgeschieden, das heißt, die Lagerachse selbst wird unmittelbar im PVD- oder PACVD-Verfahren mit der Hartstoffschicht belegt. Alternativ ist es denkbar, die Hartstoffschicht auf einer Hülse, die auf der Lagerachse befestigt ist, abzuscheiden. Unabhängig davon, ob der Hartstoffschichtauftrag nun direkt auf der Lagerachse oder einer Hülse erfolgt, findet sich folglich die Hartstoffschicht achsseitig.
Die gehärtete Oberflächenschicht demgegenüber kann entweder direkt an der Innenseite einer Lagerbohrung des Planetenrades erzeugt sein, oder an der Innenseite einer Hülse, die in der Lagerbohrung des Planetenrads angeordnet ist. Durch die Auslegung des tribologischen Systems in dieser beschriebenen Art, bei der das „verschleißende” Element, nämlich das Planetenrad oder die darin eingesetzte Hülse als Partner des Gleitlagers die Umfangslast trägt, während das vor Verschleißen „geschützte” Element, nämlich die Lagerachse mit der Hartstoffbeschichtung, Punktlast aufweist, ergibt sich der Effekt, dass das erfindungsgemäß integrierte Gleitlager selbst im Falle geringen Verschleißes einen in Umfangsrichtung gleichmäßigen Verschleiß aufweist. Hieraus ergibt sich eine deutlich bessere Führungsgenauigkeit und ein wenn überhaupt – nur sehr gering wachsendes Betriebsspiel. Erfindungsgemäß ist im vorliegenden Fall also am Kontaktpartner, der die Punktlast trägt, nämlich die Lagerachse, die extrem harte und verglichen mit der gehärteten Oberflächenschicht, härtere Hartstoffschicht vorgesehen, während der demgegenüber „weichere” Kontaktpartner, nämlich die gehärtete Oberflächenschicht, am Umfangslast-tragenden Reibpartner vorgesehen ist, anders als im Stand der Technik, wo dies genau umgekehrt ist.
Wie beschrieben kann bei der erfindungsgemäßen Planetenradlageranordnung auf eine aktive Schmierung aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Gleitlagers verzichtet werden, da es grundsätzlich ausreichend ist, wenn das Gleitlager während einer vollständigen 360°-Bewegung relativ zum Hohlrad durch das Ölbad läuft. Dennoch ist natürlich stets eine kontinuierliche Schmiermittelversorgung zweckmäßig, was erfindungsgemäß dadurch erfolgen kann, dass wenigstens ein dem Planetenrad zugeordnetes, beispielsweise mit dem Planetenrad rotierendes Rückhalteelement zum Rückhalten und/oder Führen eines Schmiermittels im Bereich des Gleitlagers vorgesehen ist. Dieses Rückhalteelement dient einzig und allein dazu, Schmiermittel im Gleitlagerbereich zumindest zum Teil während der Zeit, während welcher das Gleitlager nicht im Ölbad eintaucht, vorrätig zu halten, so dass es in den Gleitlagerbereich fließen kann. Dieses etwaigen Zufließen geschieht jedoch in keinem Fall aktiv, vielmehr steht das Schmiermittel letztlich am Kontaktbereich an und wird auf Grund der sich aus dem Zusammenspiel der Geometrien der am Tribosystem beteiligten Elemente ergebenden Keilspaltgeometrien mehr oder weniger nach Bedarf in den Kontaktbereich gezogen. Das Rückhalteelement kann mit dem Planetenrad mitdrehen, das heißt, dass die Rotation des Planetenrades zwangsläufig zur Rotation des Rückhalteelements führt. Denkbar ist es aber auch, wenn das Rückhalteelement nur mit dem Planetenträger umläuft.
Ein solches Rückhalteelement kann erfindungsgemäß scheibenförmig ausgeführt und derart ausgebildet sein, dass es beim Eintauchen in einen Schmiermittelsumpf das Schmiermittel aufnimmt und bei weiterer Bewegung des Planetenrades das Schmiermittel in den Bereich des Gleitlagers fließt. Das heißt, dass das Rückhalteelement quasi Schmiermittel, also Öl, schöpft, und bei weiterer Rotation das Schmiermittel vom Rückhalteelement zum Gleitlager fließt.
Dabei kann ein solches scheibenförmiges Element beispielsweise mehrere symmetrisch um den Umfang verteilt angeordnete, axial vorspringende und gebogene Stege aufweisen, die also flügelartig konzipiert sind und als Schöpfstege dienen. Alternativ kann das scheibenförmige Element einen mit einem Radialbund hinterschnittenen Axialflansch aufweisen, so dass sich eine Ringscheibe ergibt, die ebenfalls Schmiermittel schöpfen und bevorraten kann. Eine weitere Alternative sieht vor, dass das scheibenförmige Element eine axiale Ausbiegung, die in einer Durchbrechung mündet, aufweist. Auch dieses scheibenförmige Element schöpft beim Durchlauf durch den Ölsumpf Schmiermittel und führt dieses quasi hinter die Scheibe in einen Spalt, der bei dieser Ausgestaltung zwischen der Ebene des Planetenrades und dem schreibenförmigen Element gegeben ist.
Vor allem bei groß auszulegenden Planetengetrieben ist es zweckmäßig, wenn das oder jedes Planetenrad auch axial gelagert ist. Zu diesem Zweck ist bei der Planetenradlageranordnung erfindungsgemäß wenigstens ein Axialgleitlager vorgesehen, über das das Planetenrad gegen den Planetenradträger gelagert ist, wobei das Axiallager mindestens eine Axialscheibe umfasst, die eine Gleitschicht in Form einer abgeschiedenen Hartstoffschicht aufweist, wobei die Axialscheibe entweder mit dem Planetenrad verbunden ist und auf einer am Planetenradträger ausgebildeten Gleitschicht in Form einer gehärteten Oberflächenschicht läuft, oder wobei die Axialscheibe mit dem Planetenradträger verbunden ist und auf einer am Planetenrad ausgebildeten Gleitschicht in Form einer gehärteten Oberflächenschicht läuft. Auch hier kommt zur Axiallagerung das erfindungsgemäß vorgesehene tribologische System aus Hartstoffschicht und gehärteter Oberflächenschicht zum Einsatz. Die Hartstoffschicht ist in jedem Fall an einer Axialscheibe, die Teil des Axialgleitlagers ist, ausgebildet. Diese Axialscheibe kann entweder am Planetenrad angeordnet sein und mit diesem rotieren, die gehärtete Oberflächenschicht ist in diesem Fall am Planetenradträger ausgebildet, der – wie natürlich das Planetenrad auch – auf einfache Weise gehärtet werden kann. Diese Axialscheibe kann beispielsweise in eine entsprechende eingetiefte Aufnahme am Planetenrad eingesetzt werden. Alternativ kann die Axialscheibe auch am Planetenradträger angeordnet sein, die gehärtete Oberflächenschicht ist am Planetenrad ausgebildet, wobei das Planetenrad als solches in der Regel ohnehin gehärtet wird.
Auch im Bereich dieser Axiallagerung ist folglich ein extrem hoher Verschleißschutz gegeben, resultierend aus dem verwendeten tribologischen System. Wiederum ist keine spezielle Schmierung vorgesehen, das Durchlaufen des Ölsumpfes reicht Zur Schmierung völlig aus. Selbstverständlich sind, sofern zwei scheibenförmige separate Planetenradträgerhälften vorgesehen sind, zwischen denen die Lagerachse verbindend angeordnet ist, an beiden Seiten entsprechende Axiallager vorgesehen.
Die Hartstoffschicht selbst ist bevorzugt eine Kohlenstoffschicht oder eine Keramikschicht oder eine Metallcarbid- oder Metallnitridschicht, oder eine Mischschicht aus den genannten Schichten, wobei wie bereits ausgeführt besonders bevorzugt eine unter dem Handelsnamen „Triondur^®” bekannte Hartstoffschicht aufgebracht wird. Denkbar ist es, zusätzlich eine Nanolagendeckschicht aus Si aufzubringen respektive schichtseitig zu integrieren. Dies bewirkt, dass im Betrieb Nanopartikel aus Si ausgerieben werden, die wiederum der Funktion der Reibungsreduzierung im Kontakt nachkommen.
Die Hartstoffschicht sollte eine Oberflächenrauigkeit Rz von weniger als 2, vorzugsweise von weniger als 1 aufweisen. Auch die Oberflächenrauigkeit der zugeordneten gehärteten Oberflächenschicht liegt vorzugsweise unter Rz = 2, vorzugsweise unter Rz = 1. Die Schichtdicke der Hartstoffschicht sollte vorzugsweise kleiner als 20 μm sein, bevorzugt liegt sie im Bereich von 1–10 μm. Die Dicke der gehärteten Oberflächenschicht sollte – nachdem diese etwas weicher ist als die Hartstoffschicht und folglich etwas stärker beansprucht wird – mindestens ebenso dick, wenn nicht sogar dicker sein.
Neben der Planetenradlageranordnung selbst betrifft die Erfindung ferner ein Planetengetriebe, umfassend eine Planetenradlageranordnung der beschriebenen Art. Sofern planetengetriebeseitig mehrere Planetenräder vorgesehen sind, so sind diese selbstverständlich in entsprechender Anordnung an einem gemeinsamen Planetenradträger oder – sofern zwei scheibenförmige Planetenradträger vorgesehen sind – an diesen über entsprechende Lagerachsen vorgesehen. Jede dieser Lageranordnungen ist in der erfindungsgemäßen Weise konzipiert respektive tribologisch aufgebaut. Gleiches gilt für die jeweiligen separaten Axiallagerungen der einzelnen Planetenräder.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes,
2 ein Planetenrad nebst Lagerachse in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
3 eine Schnittansicht durch die Lageranordnung nach 2,
4 eine vergrößerte Detailansicht aus 3 im Bereich IV,
5 eine Schnittansicht durch eine Planetenradlageranordnung einer zweiten Ausführungsform,
6 eine Perspektivansicht einer auf der Lagerachse zu befestigenden Hülse,
7 eine Schnittansicht durch eine Planetenradlageranordnung einer dritten Ausführungsform,
8 eine Schnittansicht durch eine Planetenradlageranordnung einer vierten Ausführungsform,
9 eine Schnittansicht durch eine Planetenradlageranordnung einer fünften Ausführungsform,
10 eine Schnittansicht durch eine Planetenradlageranordnung einer sechsten Ausführungsform,
11 eine Perspektivansicht eines Rückhalteelements einer weiteren Ausführungsform,
12 eine Aufsicht auf ein Rückhalteelement einer weiteren Ausführungsform, und
13 eine Teilschnittansicht des Rückhalteelements aus 12.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Planetenradgetriebe 1, umfassend ein Hohlrad 3 mit einer Innenverzahnung sowie einen Planetenradträger 4 mit im gezeigten Beispiel drei daran drehgelagerten Planetenrädern 5, die mit ihren Außenverzahnungen in bekannter Weise mit dem Hohlrad 3 kämmen. Jedes Planetenrad 5 ist an einer fest mit dem Planetenradträger 4 verbundenen Lagerachse 6 in der erfindungsgemäßen Weise gelagert. Angetrieben wird das Planetengetriebe über ein nicht näher gezeigtes, mit den Planetenrädern 5 kämmendes Sonnenrad.
Die 2–4 zeigen eine erste Ausführungsform einer Planetenradlagerung. 2 zeigt das Planetenrad 5 sowie die Lagerachse 6, die in an sich bekannter Weise am aus 1 bekannten Planetenradträger 4 befestigt ist. Auf der Lagerachse 6 ist eine Hülse 7 befestigt. Die Hülse 7 weist an ihrer Außenseite eine erste Gleitschicht in Form einer darauf abgeschiedenen Hartstoffschicht 8, beispielsweise eine unter dem Namen „Triondur” bekannte Schicht der Anmelderin auf. Diese Schicht, die beispielsweise mittels PVD oder PACVD-Verfahren abgeschieden wird, weist eine Härte von wenigstens 800 HV, insbesondere von mindestens 1000 HV bis zu 4000 HV, vorzugsweise von 1100 HV bis 3000 HV, auf. Sie gilt als der eine Reibpartner eines Gleitlagers 9. Der andere Reibpartner ist die an der Innenfläche der Bohrung 10 des Planetenrads 5 erzeugte zweite Gleitschicht in Form einer gehärteten Oberflächenschicht 11, die durch an sich bekannte Härteverfahren hergestellt wird. Die gehärtete Oberflächenschicht weist eine Härte von wenigstens 45 HRC auf, vorzugsweise von mindestens 53 HRC, insbesondere von mindestens 55 HRC bis zu 65 HRC auf. Das Gleitlager 9 wird hier also über die Hülse 7 mit ihrer ersten Gleitschicht in Form der Hartstoffschicht 8 sowie das Planetenrad 5 mit seiner zweiten Gleitschicht in Form der gehärteten Oberflächenschicht 11 gebildet. Da beide Reibpartner respektive Gleitschichten extrem hart sind, kommt es zu vernachlässigbarem Verschleiß, verglichen mit bisher bekannten Gleitlagersystemen im Bereich der Planetenradlagerung. Das Planetenrad 5 selbst ist z. B. aus Wälzlagerstahl, der sich in bekannter Weise extrem gut härten lässt. Die Hülse 7 kann ebenfalls z. B. aus Wälzlagerstahl sein, wesentlich jedoch ist hier wie beschrieben die aufgebrachte Hartstoffschicht.
Infolge des verwendeten Schichtsystems ist keine aktive Schmierung des Gleitlagers, also des Gleitbereichs erforderlich. Vielmehr ist der Ölzufluss ausreichend, der gegeben ist, wenn das Planetenrad 5 samt Lagerachse 6 bei einer Drehung des Planetenradträgers 4 durch einen Ölsumpf läuft, hierüber wird hinreichend Schmiermittel geschöpft, das der Gleitschmierung dient. Um die Schöpfwirkung und damit die Schmiermittelversorgung zu verbessern, ist im gezeigten Beispiel ein Rückhalteelement 12 vorgesehen, das hier als auf die Lagerachse 6 aufgesetztes scheibenförmiges Element 13 ausgeführt ist. Dieses weist an einer Seite mehrere Eintiefungen 14 und dazwischen befindliche Stege 15 auf, die auch gebogen ausgeführt sein können und quasi eine Art Schöpfwirkung liefern. Das während der Getriebebewegung einerseits selbst rotierende Planetenrad 5 und andererseits über den Planetenradträger 4 bewegte Planetenrad 5 taucht in den Ölsumpf ein. Dabei sammelt sich Öl in den Taschen 14 an. Dieses kann nun einerseits über hier nicht näher gezeigte, kleine Ausnehmungen im Bereich des Innenumfangs des scheibenförmigen Elements 13, mit welchem es auf der Lagerachse 6 aufsitzt, hinter dieses scheibenförmige Element in den Bereich des Gleitlagers 9 fließen. Auf der anderen Seite kann das Öl auch, fliehkraftbedingt, nach außen fließen und auf diese Weise hinter das scheibenförmige Element 13 gelangen. Dieses ist, radial gesehen, mit etwas abnehmender Dicke ausgeführt, so dass sich ein etwas verbreiternder Radialspalt 16 zwischen dem scheibenförmigen Element 13 und dem Planetenrad 5 ergibt, siehe 4. In diesen kann das Öl eintreten und in den Bereich des Gleitlagers 9 gelangen.
Ersichtlich ist auf beiden Seiten des Planetenrads 5 ein solches Rückhalteelement 12 vorgesehen, so dass beidseits eine Schmiermittelzufuhr gegeben ist.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, über die zentrale Bohrung 17 der Lagerachse 6 Schmiermittel zuzuführen. Über eine Radialbohrung 18 kommuniziert diese Bohrung 17 mit einer Bohrung 19 in der Hülse 7, welche Bohrung 19 in den Bereich des Gleitlagers 9 führt. Wie 3 zeigt, können in dem der Bohrung 19 vor- und nachgeschalten Bereich verbreiterte Reservoirbereiche 20 vorgesehen sein, die einen Ölsammelraum bilden. Da sich auch im Bereich der Bohrung 17 Schmiermittel ansammeln kann, kann auch hierüber eine entsprechende Zufuhr zum Gleitlager 9 erfolgen, wenngleich dies nicht zwingend ist.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer entsprechenden Planetenradlageranordnung, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Auch hier ist auf die Lagerachse 6 eine Hülse 7 fest aufgesetzt, wobei die Hülse 7 wiederum eine Gleitschicht in Form einer Hartstoffschicht 8 aufweist. Die Fläche der Bohrung 10 des Planetenrads 5 weist die zweite Gleitschicht auf, wiederum eine gehärtete Oberflächenschicht 11, so dass auch hier über die entsprechende Werkstoff- respektive Schichtpaarung das Gleitlager 9 gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist kein Rückhalteelement 12 vorgesehen, vielmehr erfolgt hier die Ölzufuhr direkt in den Bereich des Gleitlagers 9 von den Stirnseiten her.
Zusätzlich zur Ausgestaltung gemäß 3 im Bereich der Schmiermittelzufuhr über die Lagerachsbohrung 17 ist hier eine Längsnut 21 an der Lagerachse 6 vorgesehen, in der die Radialbohrung 18 mündet. In dieser Längsnut 21 mündet auch die hülsenseitige Bohrung 19. Die Längsnut 21 bildet ein großes Aufnahmereservoir für Schmiermittel, das über die Bohrung 19 in den Bereich des Gleitlagers 9 gelangen kann.
Bei dieser Erfindungsausgestaltung ist des Weiteren beidseits des Planetenrads 5 jeweils eine Axialscheibe 22 gezeigt, die in einer entsprechenden umlaufenden Nut 23 des Planetenrads 5 aufgenommen ist. Über diese Axialscheibe 22 stützt sich das Planetenrad 5 beispielsweise am jeweiligen Planetenradträger 4, der jeweils an einer Radseite vorgesehen ist, ab, wobei die beiden Planetenradträger 4 über die Lagerachse 6 verbunden sind. Es ist also ein axial abstützendes Axialgleitlager realisiert. Auch an diesem Axialgleitlager kann das gleiche Gleitschichtsystem wie im Bereich des Gleitlagers 9 realisiert sein. Bevorzugt weist die Axialscheibe 22 eine entsprechende Hartstoffschicht auf, wobei hier der gleiche Hartstoff wie zur Bildung der Hartstoffschicht 8 verwendet werden kann. Die entsprechende Gegenlagerfläche am Planetenradträger 4 ist ebenfalls eine gehärtete Oberflächenschicht, der Planetenradträger 4 kann ebenfalls z. B. aus Wälzlagerstahl oder dergleichen bestehen, so dass seine großflächige Härtung ebenfalls ohne weiteres möglich ist. Das heißt, dass sich auch im Bereich dieser Axiallagerung entsprechende Gleitverhältnisse einstellen, die einer sehr geringen Schmierung bedürfen. Wiederum ist hier der reine Durchlauf durch das Ölbad ausreichend, die Schmiermittelversorgung sicherzustellen.
6 zeigt eine Perspektivansicht einer Hülse 7, die an ihrer Außenseite eine Längsnut 24 aufweist, in welcher die Radialbohrung 19 mündet. Wird eine solche Hülse 7 bei der Ausgestaltung nach 5 verwendet, so kann dort auf die Längsnut 21 einer Lagerachse 6 verzichtet werden. Denn diese Längsnut 24 ersetzt die Längsnut 21. Sofern natürlich auch eine Längsnut 21 vorgesehen ist, ist quasi beidseits der Hülse 7 ein entsprechendes Schmiermittelreservoir gegeben.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Planetenradlagerung, ebenfalls umfassend ein Planetenrad 5 sowie eine Lagerachse 6 und eine Hülse 7, die hier jedoch fest in der Bohrung 10 des Planetenrads 5 aufgenommen ist. Die Hülse 7 trägt hier nicht die Hartstoffschicht, sondern ist innenseitig mit der gehärteten Oberflächenschicht 11 versehen. Die Hartstoffschicht 8 ist unmittelbar auf der Lagerachse 6 außenseitig aufgebracht. Wiederum ist das erfindungsgemäße Gleitsystem zur Bildung des Gleitlagers 9 realisiert, das hier jedoch über die Innenmantelfläche der Hülse 7 mit der gehärteten Oberflächenschicht 11 sowie die Außenmantelfläche der Lagerachse 6 mit der Hartstoffschicht 8 gebildet ist.
Da hier die Hülse 7 mit dem Planetenrad 5 umläuft, ist hülsenseitig keine Schmiermittelversorgungsbohrung vorzusehen, vielmehr ist es ausreichend, einerseits über einen stirnseitigen Zufluss die Schmierung zu realisieren, andererseits über die Bohrung 17 in Verbindung mit der Radialbohrung 18, die wiederum in einer Längsnut 21 der Lagerachse 6 mündet. Das heißt, die Längsnut 21 befindet sich unmittelbar im Gleitlagerbereich. Da sie sich über nahezu die gesamte axiale Länge des Gleitlagers 9 erstreckt, ist eine großflächige Schmierung gegeben. Auch hier können selbstverständlich entsprechende Axialscheiben 22 vorgesehen sein, wenngleich hier nicht dargestellt.
Eine weitere Ausführungsform einer Planetenradlageranordnung ist in 8 gezeigt. Diese Ausgestaltung entspricht im Wesentlichen der Ausführung gemäß 3, weshalb auf die dortige Beschreibung verwiesen wird. Jedoch sind hier keine Rückhalteelemente 12 vorgesehen, vielmehr erfolgt hier der Ölzufluss direkt stirnseitig in den Bereich des Gleitlagers 9.
9 zeigt eine Planetenradlageranordnung, bei der auf der Lagerachse 6 wiederum eine Hülse 7 mit einer Hartstoffschicht 8 an der Außenseite festsitzend angeordnet ist. Am Planetenrad 5 ist in seiner Bohrung 10 eine weitere Hülse 25 eingepresst, die bei dieser Ausgestaltung die gehärtete Oberflächenschicht 11 als zweite Gleitschicht trägt. Wiederum ist ein Gleitlager 9 realisiert, hier jedoch zwischen den beiden Hülsen 7 und 25, jedoch wiederum über das gleiche Schichtsystem, nämlich Hartstoffschicht und gehärtete Oberflächenschicht.
Wie gezeigt kann auch hier einerseits die Ölzufuhr direkt stirnseitig axial erfolgen, nachdem keine Rückhalteelemente vorgesehen sind, die jedoch – dies gilt für alle Ausgestaltungen – natürlich vorgesehen werden können. Gezeigt ist eine Schmiermittelzufuhr auch durch die Lagerachse 6 selbst über die Bohrung 17, die Radialbohrung 18 und die an der Hülse 7 vorgesehene Bohrung 19. Diese Möglichkeit kann gegeben sein, muss jedoch nicht. Selbstverständlich bestünde auch die Möglichkeit, noch entsprechende Längsnuten an der Lagerachse 6 und/oder der Hülse 7 vorzusehen, wie zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben.
10 zeigt eine Ausgestaltung einer Planetenradlageranordnung, bei der in die Bohrung 10 des Planetenrads 5 eine Hülse 7 eingesetzt ist, die hier die gehärtete Oberflächenschicht 11 innenseitig aufweist, während an der Lagerachse 6 die Hartstoffschicht 8 aufgebracht ist. Bei dieser Ausgestaltung weist die Hülse 7 am Innenumfang zwei umlaufende Nuten 26 auf, die als Schmiermittelreservoir für den Bereich des Gleitlagers 9, hier realisiert zwischen der Lagerachse 6 und der Hülse 7, dienen.
11 eine zweite Ausführungsform eines Rückhalteelements 12, das hier als Scheibe mit einem Axialflansch 27 und einem nach innen gerichteten Radialflansch 28 ausgeführt ist, so dass sich ein Schmiermittelreservoir ergibt. Dieses scheibenförmige Element 13 schöpft beim Durchlauf durch den Ölsumpf Öl, das sich in dieser Ringnut ansammelt und bei weiterer Rotation respektive Umlauf zum Gleitlager läuft. Um einen Durchtritt hierzu zu ermöglichen, sind am Innenumfang der mittigen Bohrung entsprechende Ausnehmungen 29 vorgesehen, durch die das Öl hinter dieses scheibenförmige Element strömen kann.
12 zeigt schließlich eine weitere Ausführungsform eines Rückhalteelements 12 in Form eines scheibenförmigen Elements 13, das eine im gezeigten Beispiel quasi halbmondförmige Durchbrechung 30 aufweist, realisiert über eine Ausbiegung 31. Durch diese kann beim Durchlauf durch den Ölsumpf Öl geschöpft werden, es gelangt über die Durchbrechung 30 hinter das scheibenförmige Element 13. Ist dieses nun, ähnlich wie in 4 gezeigt, über einen sich leicht nach außen öffnenden Radialspalt vom Planetenrad 5 beabstandet, so kann das Öl ohne weiteres in den Bereich des Gleitlagers gelangen.
Das Planetenrad 5 kann aus Wälzlagerstahl oder Einsatzstahl, z. B. 18CrNiMo7-6 bestehen. Die jeweilige Hülse, die das Substrat für die Hartstoffschicht bildet, oder die gehärtet wird, kann ebenfalls aus Wälzlagerstahl oder thermochemisch behandeltem Einsatzstahl (z. B. 16MnCr5) bestehen, aber auch Vergütungsstahl (z. B. 42CrMo4), durchhärtender Stahl (z. B. 100Cr6) oder Nitrierstahl können verwendet werden. Die Lagerachse kann aus beliebigem, hinreichend gehärtetem Stahl bestehen, wie auch der Planetenradträger, der aber auch aus Gusswerkstoffen wie GG70, GG50 oder GG40 gefertigt sein kann.
Bezugszeichenliste

1: Planetenradgetriebe
2
3: Hohlrad
4: Planetenradträger
5: Planetenrad
5: Lagerachse
7: Hülse
8: Außenseite
9: Gleitlager
10: Bohrung
11: Gleitschicht
12: Rückhalteelement
13: scheibenförmiges Element
14: Eintiefung
15: Steg
16: Radialspalt
17: Bohrung
18: Radialbohrung
19: Bohrung
20: Reservoirbereich
21: Längsnut
22: Axialscheibe
23: Nut
24: Längsnut
25: Hülse
26: Nut
27: Axialflansch
28: Radialflansch
29: Ausnehmung
30: halbmondförmige Durchbrechung
31: Ausbiegung

Claims

Planetenradlageranordnung, umfassend einen Planetenradträger, an dem eine feste Lagerachse vorgesehen ist, auf welcher Lagerachse ein Planetenrad über ein Gleitlager drehgelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (9) eine achsseitig vorgesehene erste Gleitschicht und eine radseitig vorgesehene zweite Gleitschicht aufweist, wobei die erste Gleitschicht eine abgeschiedene Hartstoffschicht (8) und die zweite Gleitschicht eine gehärtete Oberflächenschicht (11) ist.
Planetenradlageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschicht (8) eine Härte von wenigstens 800 HV, insbesondere von mindestens 1000 HV bis zu 4000 HV und die gehärtete Oberflächenschicht (11) eine Härte von wenigstens 45 HRC, insbesondere mindestens 53 HRC bis zu 65 HRC aufweist.
Planetenradlageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschicht (8) direkt auf der Lagerachse (6) abgeschieden ist, oder dass die Hartstoffschicht (8) auf einer Hülse (7), die auf der Lagerachse (6) befestigt ist, abgeschieden ist.
Planetenradlageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärtete Oberflächenschicht (11) direkt an der Innenseite einer Lagerbohrung (10) des Planetenrades (5) erzeugt ist, oder dass die gehärtete Oberflächenschicht (11) an der Innenseite einer Hülse, die in der Lagerbohrung (10) des Planetenrads (5) angeordnet ist, erzeugt ist.
Planetenradlageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein dem Planetenrad (5) zugeordnetes, vorzugsweise mit dem Planetenrad rotierendes Rückhalteelement (12) zum Rückhalten und/oder Führen eines Schmiermittels im Bereich des Gleitlagers (9) vorgesehen ist.
Planetenradlageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalteelement (12) ein scheibenförmiges Element (13) ist und derart ausgebildet ist, dass es beim Eintauchen in einen Schmiermittelsumpf das Schmiermittel aufnimmt und bei weiterer Bewegung des Planetenrads (5) das Schmiermittel in den Bereich des Gleitlagers (9) fließt.
Planetenradlageranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Element (13) mehrere symmetrisch um den Umfang verteilt angeordnete, axial vorspringende und gebogene Stege (15) aufweist, oder dass das scheibenförmige Element (13) einen mit einem Radialbund hinterschnittenen Axialflansch aufweist, oder dass das scheibenförmige Element (13) eine axiale Ausbiegung (31), die in einer Durchbrechung (30) mündet, aufweist.
Planetenradlageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Axialgleitlager vorgesehen ist, über das das Planetenrad (5) gegen den Planetenradträger (4) gelagert ist, wobei das Axiallager mindestens eine Axialscheibe (22) umfasst, die eine Gleitschicht in Form einer abgeschiedenen Hartstoffschicht aufweist, wobei die Axialscheibe (22) entweder mit dem Planetenrad (5) verbunden ist und auf einer am Planetenradträger (4) ausgebildeten Gleitschicht in Form einer gehärteten Oberflächenschicht läuft, oder wobei die Axialscheibe (22) mit dem Planetenradträger (4) verbunden ist und auf einer am Planetenrad (5) ausgebildeten Gleitschicht in Form einer gehärteten Oberflächenschicht läuft.
Planetenradlageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschicht (8) eine Kohlenstoffschicht oder eine Keramikschicht oder eine Metallcarbid- oder Metallnitridschicht, oder eine Mischschicht aus den genannten Schichten ist.
Planetengetriebe, umfassend eine Planetenradlageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche.