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Die Erfindung betrifft ein mehrstufiges Planetengetriebe mit einem Planetenträger zum Verbinden von zwei Stufen des Planetengetriebes, wobei der Planetenträger einer ersten Stufe des Planetengetriebes zugeordnet ist, und wobei der Planetenträger mit einem Sonnenrad der zweiten Stufe des Planetengetriebes mittels Reibschweißen verbunden ist.
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Ein (einstufiges) Planetengetriebe ist üblicherweise um eine Hauptachse herum angeordnet und beinhaltet üblicherweise zumindest ein erstes Rad, dessen Wirkfläche sich in Umfangsrichtung erstreckt, sowie zumindest ein in Umfangsrichtung umlaufendes zweites Rad, dessen Wirkfläche mit der Wirkfläche des ersten Rades zusammenwirkt. Das zweite Rad wird Planetenrad oder Planet genannt und ist drehbar und parallel zu der Hauptachse an einem Planetenträger gelagert. Als Wirkfläche kommen insbesondere Reibflächen oder Verzahnungen in Betracht. Ist das erste Rad radial innerhalb der Umlaufbahn des Planeten angeordnet, spricht man von einem Sonnenrad oder einer Sonne. Ist das erste Rad radial außerhalb der Umlaufbahn des Planeten angeordnet, spricht man von einem Hohlrad. Eine übliche Bauform eines Planetengetriebes enthält ein Sonnenrad, drei umlaufende Planetenräder, die an einem gemeinsamen Planetenträger um ihre jeweilige Achse drehbar gelagert sind, und ein Hohlrad, wobei die Planetenräder mit dem Sonnenrad und mit dem Hohlrad kämmen, und wobei das Sonnenrad, der Planetenträger und das Hohlrad um die Hauptachse herum umlaufen können. Üblicherweise werden Planetengetriebe verwendet, wenn eine konzentrische Anordnung einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle gewünscht ist. Planetengetriebe werden üblicherweise auch verwendet, um die Belastung pro Wirkverbindung zu reduzieren, beispielsweise die Belastung pro Zahn zu reduzieren, da die Planetenräder parallel geschaltet sind.
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Im vorliegenden Fall sollen zwei Stufen eines mehrstufigen Planetengetriebes verbunden werden können. Ein mehrstufiges Planetengetriebe hat typischerweise zwei oder mehr in Reihe geschaltete einstufige Planetengetriebe. Konkret soll ein Planetenträger der ersten Stufe des Planetengetriebes mit einem Sonnenrad der zweiten Stufe des Planetengetriebes verbunden werden. Diese Verbindung soll mittels Reibschweißen hergestellt werden. Die Angaben „erste Stufe“ und „zweite Stufe“ sind lediglich bezeichnender Natur und sollen keine Reihenfolge, beispielsweise von einer Drehmomentquelle zu einer Drehmomentsenke, oder dergleichen darstellen.
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Eine gattungsgemäßes mehrstufiges Planetengetriebe ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 010 092 A1 bekannt, welche einen Planetenträger für ein Planetengetriebe betrifft, welcher eine ersten Wange, die auf der einen Seite mit einer Welle und auf der anderen Seite über Stege einstückig mit einer zweiten Wange verbunden ist, umfasst, wobei in Umfangsrichtung der Welle liegende Seitenflächen der Stege Öffnungen begrenzen und wobei die beiden Wangen umfangsmäßig zwischen den Öffnungen miteinander fluchtende Bohrungen zur Aufnahme von Achsen von Planetenrädern aufweisen, wobei ferner die Verbindung zwischen der ersten Wange und der Welle mittels einer Schweißverbindung und/oder einer formschlüssig drehfesten Verbindung erfolgt. Dabei umfasst die Schweißverbindung insbesondere das Reibschweißen.
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Ein gattungsgemäßes mehrstufiges Planetengetriebe ist beispielsweise auch aus der
DE 10 2010 020 177 A1 bekannt, welche ein Planetengetriebe zur Kopplung eines Rotors an eine Welle betrifft, umfassend eine Sonne, mindestens einen Planeten, der an einem Planetenträger drehbar gelagert ist, sowie ein Koppelelement, wobei das Koppelelement als einstückiges Blechteil ausgebildet ist, wobei das Koppelelement einen ersten, radial gerichteten Koppelabschnitt umfasst, wobei das Koppelelement einen zweiten, radial gerichteten Koppelabschnitt umfasst, und wobei der zweite Koppelabschnitt bezüglich des ersten Koppelabschnittes axial versetzt ist, und wobei ferner die Sonne formschlüssig, insbesondere mittels einem Niet, oder stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Schweißung, speziell mittels einer Punkt- oder Reibschweißung, an dem Koppelelement befestigt ist.
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Bei dem genannten Stand der Technik ist jeweils die Schweißfläche bzw. Reibfläche fläche eine Zylindermantelfläche. Ferner ist der Kraftfluss üblicherweise axial, d.h. parallel zu der Schweißfläche, orientiert, da die zu verbindenden Planetengetriebe zweckmäßig koaxial, d.h. in Axialrichtung hintereinander, angeordnet sind. Daher kann es vorkommen, dass ein (Rand-)Bereich, in welchem der Kraftfluss von dem Planetenträger auf das Sonnenrad übergeht (oder anders herum), mit einer lokalen Wärmeeinflusszone (WEZ) einer hohen Spannung ausgesetzt ist. Daher kann es zu einer Spannungsüberhöhung bzw. einer Kerbwirkung kommen. Daher kann es zu einer Rissbildung und/oder einer Abscherung kommen. Daher kann es zu einem Versagen oder einer verringerten Lebensdauer der Schweißstelle kommen, oder es kann, um eine Lebensdauer zu erhöhen, eine großvolumige und daher schwere Konstruktion notwendig sein.
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Es ist auch bekannt, ein Sonnenrad über eine zylindrische Fläche an dem Planetenträger zu positionieren, und diese beiden Teile dann axial mittels Laserschweißen zu verbinden. Dadurch ergibt sich eine relativ kleine Schweißnaht mit einer lokalen WEZ, welche sich in einem stark beanspruchten Randbereich des Sonnenrads befindet. Somit kann sich die Schweißnaht eventuell als Keimstelle für eine mögliche Rissbildung / Abscherung negativ auf eine Funktion (beispielsweise Übertragen von hohen Drehmomenten) und/oder eine Lebensdauer auswirken.
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Es ist daher die Aufgabe, ein gattungsgemäßes mehrstufiges Planetengetriebe mit an einem Sonnenrad reibverschweißtem Planetenträger hinsichtlich des Kraftflusses zu verbessern. Insbesondere soll eine serientaugliche bzw. für eine Serie prozessfähige und/oder standfeste bzw. dauerfeste Reibschweiß-Verbindung erreicht werden. Es soll, anders formuliert, eine erhöhte Lebensdauer erreicht werden. Dabei soll eine kostengünstige Lösung vorgestellt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird bei einem gattungsgemäßen mehrstufigen Planetengetriebe mit an einem Sonnenrad reibverschweißtem Planetenträger erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schweißfläche in Anlage mit der Stirnseite des Sonnenrads ist. Somit kann die Stirnseite des Sonnenrads zum Leiten des Kraftflusses verwendet werden. Damit kann in vorteilhafter Weise ein verbesserter Kraftfluss erreicht werden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend erläutert. Die dort genannten Aspekte können auch einzeln, unabhängig voneinander und von dem Hauptaspekt weiterverfolgt werden.
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So ist es beispielsweise besonders kostengünstig, wenn die Schweißfläche bzw. die Reibschweißnaht in Radialrichtung verläuft, da beim Reibschweißen ein Druck zwischen den zu verschweißenden Teilen ausgeübt wird, und bei einer radial verlaufenden Schweißfläche der Druck besonders einfach gleichmäßig aufbringbar ist.
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Es beispielsweise ebenfalls kostengünstig, wenn die Schweißfläche bzw. die Reibschweißnaht in Umfangsrichtung verläuft, da beim Reibschweißen ein Druck zwischen den zu verschweißenden Teilen ausgeübt wird, und bei einer in Umfangsrichtung verlaufenden Schweißfläche der Druck besonders einfach gleichmäßig aufbringbar ist. Dabei bezeichnet „Umfangsrichtung“ insbesondere eine Reibschweißnaht, welche ringförmig gebildet ist, beispielsweise da der Planetenträger und/oder das Sonnenrad innen hohl ist/sind.
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Wenn die Reibschweißnaht axial in einer Trennfuge zwischen dem Planetenträger und der Sonne positioniert ist, kann mit einfachen, das heißt kostengünstigen und prozesssicheren Mitteln, die Reibfläche begrenzt und eingestellt werden.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn eine aus dem Reibschweißen resultierende Wärmeeinflusszone gleichmäßig über den Querschnitt der Sonne verteilt ist. Somit kann eine gleichmäßige Festigkeit über die gesamte Schweißfläche erreicht werden.
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Eine besonders kostengünstige Bauform wird erreicht, wenn der Planetenträger ein Blechbauteil ist. Somit kann nämlich zumindest eine flächige spanabhebende Bearbeitung des Planetenträgers vermieden werden.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn der Planetenträger und das Sonnenrad aus unterschiedlichen Materialien sind, da somit für beide Funktionen angepasste / optimierte Materialien verwendet werden können. Dabei soll der Begriff „Materialien“ nicht nur Ausgangsbauteile aus unterschiedlichen Materialien, sondern auch Ausgangsbauteile aus demselben Material, aber mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften infolge unterschiedlicher Prozessschritte, beispielsweise hinsichtlich eines erzielten (Metall-)Gefüges einschließen.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Planetenträger und das Sonnenrad aus Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten sind. Beispielsweise (ohne eine Einschränkung zu beabsichtigen) kann ein Ausgangsteil aus einem hochfesten, aber schwereren Material (beispielsweise Stahl) und das andere Teil aus einem weniger festen, aber dafür leichteren Material (beispielsweise Aluminium) sein. Daher kann ein Konstrukteur die zu verwendenden Materialien frei wählen, beispielsweise um eine kostenoptimierte Konstruktion zu erzielen.
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Um eine gewünschte Qualität der Verbindung mittels Reibschweißen zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass eine bei dem Reibschweißen auftretende (Maximal-)Temperatur unter dem höheren Schmelzpunkt der Schmelzpunkte der Materialien von dem Planetenträger und dem Sonnenrad liegt. Dies kann beispielsweise einer Prozesssicherheit dienen.
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Es kann ebenso vorgesehen sein, dass die bei dem Reibschweißen auftretende (Maximal-)Temperatur unter den Schmelzpunkten der Materialien von dem Planetenträger und dem Sonnenrad liegen. Somit kann beispielsweise Energie eingespart werden, wodurch das Produkt kostengünstiger hergestellt werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Planetenträger und/oder das Sonnenrad in einem zu der Schweißfläche benachbarten Bereich eine kerbwirkungsoptimierte Geometrie aufweist, beispielsweise eine wenigstens teilweise axial orientierte Gestaltung hat. Dadurch kann erreicht werden, dass der Kraftfluss besonders gleichmäßig zwischen dem Planetenträger und dem Sonnenrad geleitet wird.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Wärmeeinflusszone des Reibschweißens geringe Ausmaße hat, vorzugsweise eine Wand- und/oder Materialstärke des Planetenträgers und/oder des Sonnenrads nicht übersteigt. Bevorzugt ist dabei, wenn die Wärmeeinflusszone höchstens die Hälfte der Wand- und/oder Materialstärke des Planetenträgers und/oder des Sonnenrads nicht übersteigt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Wärmeeinflusszone höchstens ein Viertel der Wand- und/oder Materialstärke des Planetenträgers und/oder des Sonnenrads nicht übersteigt. Somit können beispielsweise Werkstoffeigenschaften beibehalten werden.
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Mit anderen Worten beschrieben wird vorgeschlagen, die Reibschweißnaht axial in der Trennfuge zwischen einem Planetenträger und einer Sonne zu positionieren. Dadurch wird eine relativ breite / große Fläche über den gesamten Querschnitt, in der die stoffschlüssige Verbindung vorliegt, erreicht. Dadurch kann auch die WEZ gleichmäßig auf die gesamte Querschnittsflache verteilt werden, und es kann verhindert werden, dass diese als Keimstelle für eine mögliche Rissbildung/Abscherung in einem stark beanspruchten Randbereich der Sonne wirkt. Des Weiteren sind auch durch die gleichmäßigere Durchwärmung beim Reibschweißen bessere mechanische Eigenschaften in und an der WEZ zu erwarten, als diese bei anderen Fügeverfahren, wie beispielsweise bei einem Laserschweißen, lokal an der WEZ vorliegen.
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Mit nochmals anderen Worten wird eine Baugruppe aus einem Planetenträger und einer Sonne bzw. einem Sonnenrad beschrieben. Diese sollen mittels Reibschweißen verbunden werden. Dadurch soll eine relativ kleine lokale Wärmeeinflusszone erreicht werden und somit eine Rissbildung vermieden werden, die üblicherweise durch Laserschweißen auftreten kann. Des Weiteren sind die Kosten zur Vorbereitung der Schweißverbindung gegenüber den mit alternativen Schweißverfahren hergestellten Bauteilen geringer. Beim Reibschweißen werden die beiden Bauelemente unter Druck in einer Kontaktzone einander berührend relativ gegeneinander bewegt und aneinander gerieben. Wegen der Reibung kommt es zu einer Erwärmung und Plastifizierung des jeweiligen Materials, welche unter hohem Druck zu der Verbindung der Bauteile führt. Der Stoffschluss wird beispielsweise durch Diffusionsprozesse an den Fügeflächen in der Kontaktzone bzw. an der Schweißfläche zwischen den beiden Bauteilen erzeugt. Das Verbinden von Werkstoffen aus unterschiedlichen Materialen mit sehr unterschiedlichen Schmelzpunkten ihrer Materialien und Gitterstrukturen ist möglich. Die Temperaturen, welche dabei auftreten, liegen bevorzugt unterhalb der Schmelztemperatur der Materialien. Es kann beispielsweise nur bis zu einer teigigen Konsistenz der zu verbindenden Materialien erwärmt werden. Durch diese Vorgänge wird eine sehr hohe Festigkeit bei geringerem Wärmeeintrag erreicht. Die Vorteile dieses Verfahrens sind unter anderem, dass die Wärmeeinflusszone wesentlich geringere Dimensionen als die Wärmeeinflusszonen, welche mit konventionellen (Schmelz-)Schweißverfahren Verfahren erzeugt werden, aufweist.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Ausführungsform näher beschrieben. Dabei zeigt die 1 eine teilweise ausgebrochene / geschnittene Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Planetenträger 1, der an einem Sonnenrad 2 reibverschweißt ist. Konkret ist der Planetenträger 1 Teil einer ersten, nicht weiter figürlich dargestellten Stufe 13 eines Planetengetriebes 14, und ist das Sonnenrad 2 Teil einer zweiten, nicht weiter figürlich dargestellten Stufe 15 des Planetengetriebes 14. Mit anderen Worten ist der Planetenträger 1 mit dem Sonnenrad 2 mittels Reibschweißen verbunden.
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Der Planetenträger 1 und das Sonnenrad 2 sind dabei koaxial angeordnet, das heißt, sie sind entlang einer gemeinsamen Längsachse 3 hintereinander angeordnet. Der Planetenträger 1 und das Sonnenrad 2 sind mittels Reibschweißen an einer Schweißfläche 4 verbunden.
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Dabei ist die Schweißfläche 4 in Anlage mit einer Stirnfläche 5 des Sonnenrads 2. In Folge dessen kann ein Kraftfluss durch die Stirnseite des Sonnenrads 2 geleitet werden. Die Schweißfläche 4, welche durch Reibschweißen erzeugt wurde, liegt in einer Ebene, welche senkrecht zu der Längsachse 3 steht. Mithin verläuft die Schweißfläche 4 in einer Radialebene.
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Dabei ist eine Reibschweißnaht 6, welche in der 1 durch eine dicke Linie verdeutlicht wird, axial in einer Trennfuge 7 zwischen dem Planetenträger 1 und dem Sonnenrad 2 positioniert. Die Reibschweißnaht 6 liegt in/an der Schweißfläche 4. Die Reibschweißnaht 6 ist in Umfangsrichtung gebildet, da der Planetenträger 1 und das Sonnenrad 2 innen hohl sind. Eine Wärmeeinflusszone 8 ist dabei gleichmäßig über den Querschnitt des Sonnenrads 2 verteilt.
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Der Planetenträger 1 ist ein Blechbauteil, welches zumindest einen radial äußeren scheibenförmigen Abschnitt 9, einen trichterförmigen Abschnitt 10 und einen radial inneren scheibenförmigen Abschnitt 11 hat. Die Abschnitte 9, 10 und 11 sind mittels Blechumformen aus einem blechförmigen Halbzeug als Ausgangsbauteil geformt. Die scheibenförmigen Abschnitte 9 und 11 sind näherungsweise parallel. Der trichterförmige Abschnitt 10 ist in axialer und radialer Richtung der Reibschweißnaht 6 zugewandt. Daher wird in dem Planetenträger 1 eine allmähliche Kraftflussumleitung erzielt, so dass eine Kerbwirkung an der Reibschweißnaht 6 verringert ist. Mit anderen Worten hat der Planetenträger 1 in dem trichterförmigen Abschnitt 10 eine teilweise axial orientierte Gestaltung, insbesondere eine teilweise axial zu dem Sonnenrad 2 hin orientierte Gestaltung.
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Neben der Wärmeeinflusszone 8 in dem Sonnenrad 2 ist eine Wärmeeinflusszone 12 in dem Planetenträger mit einer unterbrochenen Linie dargestellt. Es ist leicht zu erkennen, dass die Wärmeeinflusszone 12 in dem Planetenträger 12 höchstens die Hälfte der Wandstärke des Planetenträgers 12 ausmacht.
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Vorliegend, ohne dass dies figürlich dargestellt ist, ist der Planetenträger 1 aus einem hochfesten Stahl gebildet. Das Sonnenrad 2 ist aus Aluminium. Bei dem Reibschweißen wurde der Schmelzpunkt keines der beiden Materialien überschritten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Planetenträger
- 2
- Sonnenrad
- 3
- Längsachse
- 4
- Schweißfläche
- 5
- Stirnseite
- 6
- Reibschweißnaht
- 7
- Trennfuge
- 8
- Wärmeeinflusszone
- 9
- scheibenförmiger Abschnitt
- 10
- trichterförmiger Abschnitt
- 11
- scheibenförmiger Abschnitt
- 12
- Wärmeeinflusszone
- 13
- Planetengetriebestufe
- 14
- Planetengetriebe
- 15
- Planetengetriebestufe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007010092 A1 [0004]
- DE 102010020177 A1 [0005]
- DD 117271 A [0008]
- DE 2124009 A [0008]
- DE 102004005795 A1 [0008]
- DE 102011075889 A1 [0008]
- DE 19546331 C1 [0008]
- DE 102012202446 A1 [0008]
