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ANWENDUNGSBEREICH DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kopplung von Wellen und insbesondere eine Kupplungsanordnung, die Kerbverzahnungen verwendet, die verbesserte Herstellungs- und Montageeigenschaften aufweisen.
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HINTERGRUND
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Fahrzeuge, wie beispielsweise Automobile und Lastwagen, beinhalten eine Achsbaugruppe, die die vom Motor des Fahrzeugs erzeugte Rotationsenergie auf die Räder überträgt. Die Achsbaugruppe beinhaltet normalerweise ein Gehäuse, das einen Differenzialgetriebesatz enthält. Der Differenzialgetriebesatz beinhaltet ein Planetengetriebe, das den Rädern des Fahrzeugs die Drehung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ermöglicht. Dadurch kann sich das Außenrad in einer Kurve schneller drehen als das Innenrad.
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In diesen Baugruppen gibt es eine Reihe von Stellen, an denen die Wellen verbunden werden müssen, um die Rotationsenergie von einer Komponente auf eine andere zu übertragen. Einweg-Wellen sind mit Hilfe von Kerbverzahnungen gekoppelt. Eine Kerbverzahnung ist eine Art verkeilte Einpassung, bei der eine der Komponenten eine Nut und die andere Komponente einen Vorsprung oder eine Passfeder, die in die Nut passt, beinhaltet, wie dies grundsätzlich aus den Druckschriften
US 2015 / 0 125 269 A1 und
DE 43 02 726 A1 bekannt ist. Ferner ist aus der
DE 197 22 917 C1 eine Kerbverzahnungsverbindung bekannt, bei der die Vorsprünge in radialer Richtung unterschiedlich geneigte Seitenflächenabschnitte aufweisen.
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Die Interaktion des Vorsprungs mit der Nut überträgt die Rotationsenergie. Bei Fahrzeugen ist ein fester Sitz oder eine Presspassung zwischen dem Vorsprung und der Nut wünschenswert, um übermäßigen Rückschlag, der zu unerwünschtem Lärm führen kann, zu verhindern. Im Allgemeinen werden bei Fahrzeugen spiralförmige Kerbverzahnungen verwendet, bei denen zumindest eine Nut oder ein Vorsprung einen spiralförmigen Winkel aufweist. Während spiralförmige Kerbverzahnungen gut bei niedrigem Rückschlag arbeiten, sind die Produktionskosten höher und es kann sein, dass nicht die gewünschte Spannungsverteilung erzielt wird.
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Es ist dementsprechend wünschenswert, eine Wellenkupplungsanordnung bereitzustellen, die die Kontaktspannungsverteilung verbessert und die Montage durch verbesserte Produzierbarkeit erleichtert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diesem Wunsch nachzukommen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Diese Aufgabe wird mit einer drehbaren Kupplungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Kupplungseinrichtung beinhaltet eine erste drehbare Komponente mit zumindest einer geraden Nut, wobei die Nut eine Seitenwand aufweist. Eine zweite drehbare Komponente ist mit der ersten drehbaren Komponente gekoppelt. Die zweite drehbare Komponente beinhaltet zumindest einen Vorsprung, der ein lineares Profil zwischen einem ersten und einem zweiten Ende hat. Der zumindest eine Vorsprung beinhaltet einen ersten Abschnitt, der an das erste Ende angrenzt und einen zweiten Abschnitt, der an das zweite Ende angrenzt. Der erste Abschnitt ist so bemessen, dass ein erster Zwischenraum zwischen dem ersten Abschnitt und der Seitenwand gebildet wird, der zweite Abschnitt ist so bemessen, dass ein zweiter Zwischenraum zwischen dem zweiten Abschnitt und der Seitenwand gebildet wird, wobei der zweite Zwischenraum kleiner ist als der erste Zwischenraum.
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Ferner wird eine Methode zur Montage drehbarer Komponenten beschrieben. Die Methode beinhaltet eine erste drehbare Komponente, die eine gerade Nut aufweist, wobei die Nut eine Seitenwand besitzt. Eine zweite drehbare Komponente, die zumindest einen Vorsprung aufweist, ist vorgesehen, wobei dieser zumindest eine Vorsprung ein lineares Profil zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende hat, und dieser zumindest eine Vorsprung einen ersten Abschnitt hat, der am ersten Ende anliegt und einen zweiten Abschnitt, der am zweiten Ende anliegt. Der erste Abschnitt ist mit der Nut, dem ersten Abschnitt und der Seitenwand ausgerichtet, wobei der erste Abschnitt und die Seitenwand einen ersten Zwischenraum bilden. Die zweite drehbare Komponente wird axial gegenüber der ersten drehbaren Komponente bewegt. Der zweite Abschnitt wird in die Nut eingeführt, der zweite Abschnitt und die Seitenwand definieren einen zweiten Zwischenraum, wobei der zweite Zwischenraum kleiner als der erste Zwischenraum ist. Die zweite drehbare Komponente wird axial zur ersten drehbaren Komponente verschoben bis ein Ende des zweiten Abschnitts in der Nut angeordnet wird.
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Außerdem wird ein Fahrzeug beschrieben. Das Fahrzeug beinhaltet eine erste drehbare Komponente mit zumindest einer geraden Nut, wobei die Nut eine Seitenwand aufweist. Eine zweite drehbare Komponente ist mit der ersten drehbaren Komponente verbunden, wobei die zweite drehbare Komponente zumindest einen Vorsprung hat. Der zumindest eine Vorsprung beinhaltet ein lineares Profil zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende. Der zumindest eine Vorsprung beinhaltet einen ersten Abschnitt, der an das erste Ende angrenzt und einen zweiten Abschnitt, der an das zweite Ende angrenzt. Der erste Abschnitt ist so bemessen, dass ein erster Zwischenraum zwischen dem ersten Abschnitt und der Seitenwand gebildet wird, und der zweite Abschnitt ist so bemessen, dass ein zweiter Zwischenraum zwischen dem zweiten Abschnitt und der Seitenwand gebildet wird, wobei der zweite Zwischenraum kleiner als der erste Zwischenraum ist.
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Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung sowie den beigefügten Zeichnungen leicht ersichtlich.
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Figurenliste
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Andere Eigenschaften, Vorteile und Details erscheinen, nur beispielhaft, in der folgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungen, die ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die folgenden Zeichnungen:
- 1 ist eine schematische Grundrissansicht eines Fahrzeugs, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Achsbaugruppe hat;
- 2 ist eine Perspektivansicht einer Wellen- und Getriebebaugruppe mit einer Kerbverzahnungsverbindung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung.
- 3 ist eine partielle Schnittdraufsicht einer Kerbverzahnung, die für das Kuppeln von Wellen in der Achsbaugruppe von 1 verwendet wird;
- 4 ist eine partielle Querschnitts-Endansicht der Kerbverzahnung von 3;
- 5 ist eine partiell isometrische Ansicht der Kerbverzahnung von 3; und
- 6 ist eine partielle Schnittdraufsicht einer Kerbverzahnung, die für das Kuppeln von Wellen in einer Achsbaugruppe von 1, in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Erfindung in ihren An- oder Verwendungen zu beschränken. Es wird darauf hingewiesen, dass in allen Zeichnungen die gleichen Referenznummern auf die gleichen oder entsprechenden Teile und Merkmale verweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt 1 ein Fahrzeug 20, das eine Achsbaugruppe 22 hat. Es sollte zu erkennen sein, dass das Fahrzeug 20 beispielsweise ein Automobil, LKW, Van oder SUV sein kann. Wie hier verwendet, ist der Begriff „Fahrzeug“ nicht auf Automobile, LKW, Transporter oder SUVs beschränkt, sondern beinhaltet alle selbstfahrenden oder geschleppten Fördermittel, die dafür geeignet sind, eine Last zu transportieren. Das Fahrzeug 20 kann einen Motor 24, wie etwa einen Otto- oder Dieselverbrennungsmotor, beinhalten. Der Motor 24 kann zudem ein Hybridmotor sein, der beispielsweise einen Verbrennungsmotor mit einem Elektromotor kombiniert. Der Motor 24 und die Achsbaugruppe 22 sind mit einem Rahmen oder einer anderen Fahrwerkstruktur 26 verbunden. Der Motor 24 ist mit der Achsbaugruppe 22 durch ein Getriebe 28 und eine Antriebswelle 30 verbunden. Das Getriebe 28 kann so ausgeführt sein, dass es die Rotationsgeschwindigkeit der Motorausgabe verringert und ihr Drehmoment erhöht. Dieser modifizierte Abtrieb wird dann auf die Achsbaugruppe 22 über die Antriebswelle 30 übertragen. Die Achsbaugruppe 22 überträgt das Abtriebsdrehmoment von der Antriebswelle 30 durch einen Differenzialgetriebesatz 32 über die Achsen 36 auf ein Paar angetriebene Räder 34.
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Der Zahnradsatz 32 des Differenzials ist innerhalb des Differenzialgehäuses 42 angeordnet. Das Differenzialgetriebe 32 nimmt den Abtrieb von der Antriebswelle 30 über ein Ritzel 40 auf, welches das Drehmoment auf einen Zahnkranz 44 überträgt. Das Ritzel 40 beinhaltet eine Welle, die mit der Antriebswelle 30 mittels eines Flansches 46 verbunden ist. Der Zahnradsatz 32 des Differenzials wird von einem Paar Differenziallager innerhalb des Gehäuses 42 für eine Rotation gehalten. Der Zahnradsatz 32 des Differenzials beinhaltet Achswellenräder 38, die im Gehäuse 42 angeordnet sind, welche mit einem Ende der Achsen 36 verbunden sind und sie halten. Wie hierin ausführlicher beschrieben werden wird, kann die Verbindung von drehbaren Komponenten durch eine Kerbverzahnungsverbindung erreicht werden.
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In einer Ausführungsform erstreckt sich jede Achse 36 durch eine Bohrung in ein Achsrohr 54. Das Achsrohr 54 beinhaltet ein hohles Inneres, das sich über die Länge des Achsrohrs erstreckt. An einem Ende des Achsrohrs 54 ist ein Lager 56 befestigt, um das Ende der Achse 36 nahe des angetriebenen Rads 34 zu halten. Ein Wellendichtring 57 befindet sich zwischen dem Lager 56 und dem Rad 34. Ein Befestigungsflansch 58 für das Rad ist am Ende der Achse 36 nahe des Lagers 56 befestigt. Der Flansch 58 stell eine Schnittstelle für die Befestigung des angetriebenen Rades 34 bereit.
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Das Fahrzeug 20 beinhaltet weiterhin einen zweiten Radsatz 60, der nahe des Motors 24 angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist der zweite Radsatz 60 auch so ausgeführt, dass er den Abtrieb vom Motor 24 aufnimmt. Dies wird manchmal als eine Vierradantriebs- oder Allradantriebsausführung bezeichnet. In dieser Ausführungsform kann das Fahrzeug 20 ein Verteilergetriebe 62 beinhalten, das den Abtrieb des Getriebes 28 auf die Vorder- und Hinterräder 34, 60 verteilt. Das Verteilergetriebe 62 überträgt einen Teil des Abtriebs auf eine Vorderachsbaugruppe 64, die zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise ein Differenzialgetriebe 66 und Achsen 68, die den Abtrieb auf die Räder 60 übertragen, umfassen kann.
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Es versteht sich, dass innerhalb der Achsbaugruppen 22, 64, des Getriebes 28, der Antriebswelle 30 und der Zahnradsätze 32, 66 der Differenziale eine Anzahl an Schnittstellen ist, bei denen eine erste drehbare Komponente mit einer zweiten drehbaren Komponente verbunden ist, um Rotationsenergie oder Drehmoment auf eine zweite drehbare Komponente zu übertragen, wie beispielsweise vom Flansch 46 auf das Ritzel 40 oder von den Achswellenrädern 38 auf die Achsen 36. Es versteht sich des Weiteren, dass es wünschenswert ist, den Rückschlag zwischen den ersten und den zweiten drehbaren Komponenten zu reduzieren oder minimieren, um unnötigen Lärm, der vom Fahrzeuglenker gehört wird, zu vermeiden.
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Unter Bezugnahme auf 2 - 6, wird eine beispielhafte Anordnung einer Kerbverzahnungskupplung 70 gezeigt, die die Kupplung einer ersten drehbaren Komponente 71 mit einer zweiten drehbaren Komponente 73 ermöglicht. In dieser Ausführungsform beinhaltet die Anordnung der Kerbverzahnungskupplung 70 eine Vielzahl an Nuten 72, die sich in einer ersten drehbaren Komponente 71 befinden und eine Vielzahl an Zähnen oder Vorsprüngen 74, die sich in der zweiten drehbaren Komponente befinden, wie beispielsweise in dem Ritzel 40. Die Vorsprünge 74 sind so bemessen, dass zumindest ein Teil der Seitenwand 76 der Nut 72 eine Drehmomentübertragung zwischen der ersten drehbaren Komponente und der zweiten drehbaren Komponente ermöglicht. Es versteht sich, dass zur größeren Klarheit in 4 - 6 nur ein einzelner Vorsprung und eine Nut illustriert sind, die erste drehbare Komponente 71 und die zweite drehbare Komponente 73 können jedoch jede beliebige Anzahl von Vorsprüngen und Nuten haben, die über den Umfang verteilt und ausgerichtet sind, sodass sie bei der Übertragung des Drehmoments zusammenwirken. Es versteht sich außerdem, dass die hierin enthaltenen Ausführungsformen die erste und die zweite drehbare Komponente, das Ritzel 40 und den Flansch 46 beschreiben können, das geschieht zu exemplarischen Zwecken, sollte jedoch nicht darauf beschränkt werden.
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Der Vorsprung 74 beinhaltet einen ersten Abschnitt 78, einen zweiten Abschnitt 80 und ein Übergangsstück 82. Der erste Abschnitt 78 und der zweite Abschnitt 80 sind im Allgemeinen linear oder gerade entlang der Länge von Vorsprung 74 angeordnet. Das Übergangsstück 82 hat eine Winkelausrichtung, die sich vom ersten Abschnitt 78 zum zweiten Abschnitt 80 erstreckt. Die Nut 72 ist im Allgemeinen linear oder gerade über ihre gesamte Länge. Der zweite Abschnitt 80 hat eine Länge L, die so bemessen ist, dass die gewünschte Kontaktspannungsverteilung für die Kupplungsanordnung mit Kerbverzahnung 70 erzielt wird. In einer Ausführungsform hat der Vorsprung 74 eine Trapezform; es können jedoch auch andere Formen, wie eine Evolventenform, verwendet werden.
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Der erste Abschnitt 78 hat eine erste Breite W1 und eine erste Höhe H1. Der zweite Abschnitt 80 hat eine zweite Breite W2 und eine zweite Höhe H2. Die erste Breite W1 ist schmäler als die zweite Breite W2 und die erste Höhe H1 ist kleiner als die zweite Höhe H2. Die zweite Breite W2 ist etwas kleiner als die Breite W3 der Nut 72. In einer Ausführungsform wird die Breite W2 gewählt, um eine Pressanpassung mit der Nut 72 zu erzielen. Das Übergangsstück 82 bietet eine konische Fläche zwischen dem ersten Abschnitt 78 und dem zweiten Abschnitt 80.
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Wie in 4 dargestellt ist, beinhaltet der Vorsprung 74 eine Seitenwand 84 mit einem Profil mit mehreren Seiten. Die Seitenwand 84 beinhaltet eine Innenwand 86, die in einem ersten Winkel angeordnet ist, und eine Außenwand 88, die in einem zweiten Winkel im Verhältnis zur Mittellinie 90 angeordnet ist, die durch das Zentrum des Vorsprungs 74 verläuft. Die Innenwand 86 erstreckt sich entlang der Länge von Vorsprung 74 und ist so bemessen, dass ein Zwischenraum G zwischen der Innenwand 86 und der Seitenwand 76 der Nut 72 beim kleineren Durchmesser 92 von Vorsprung 74 gebildet wird. Es versteht sich, dass der Zwischenraum G das anfängliche Einführen der zweiten drehbaren Komponente in die erste drehbare Komponente erleichtert. In einer Ausführungsform ist der Winkel der Innenwand 86 kleiner als der Winkel der Seitenwand 76 (in Relation zur Mittellinie 90), sodass der Zwischenraum G sich verringert, wenn sich die Innenwand 86 in Richtung des größeren Durchmessers 94 fortsetzt
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Die Außenwand 88 ist in einem Winkel angeordnet, der größer ist als der Winkel der Innenwand 86. Erfindungsgemäß ist die Außenwand 88 in demselben Winkel in Relation zur Mittellinie 90 angeordnet wie die Seitenwand 76. Die Außenwand 88 kann so bemessen sein, dass ein Zwischenraum zwischen der Außenwand 88 und der Seitenwand 76 gebildet wird. In anderen Ausführungsformen kann die Außenwand 88 so bemessen sein, dass eine Presspassung mit der Seitenwand 76 hergestellt wird. In weiteren anderen Ausführungsformen kann die Außenwand 88 so bemessen sein, dass ein fester Gleitsitz mit der Seitenwand 76 hergestellt wird. Die Übergangslinie zwischen Innenwand 86 und Außenwand 88 kann am Teilkreisdurchmesser 96 von Vorsprung 74 angeordnet sein.
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Es versteht sich, dass die Anordnung der Kerbverzahnungskupplung 70 Vorteile für die Produzierbarkeit, die Kostenreduktion, Montagefreundlichkeit und Erhöhung der Kontaktspannungsverteilung bietet. Da der erste Abschnitt 78 so bemessen ist, dass Zwischenraum G entsteht, wird die Montage der ersten drehbaren Komponente mit der zweiten drehbaren Komponente erleichtert, da die Komponenten sich axial frei in dem Zwischenraum zwischen dem Vorsprung 74 und der Seitenwandverjüngung 76 bewegen können, wenn der zweite Abschnitt 80 in die Nut 72 eingeführt wird. Da alle Funktionen gerade sind (entlang der Länge der Kupplungsanordnung 70), ist die Herstellung dieser Merkmale, wie die der Nut 72 und des Vorsprungs 74, vereinfacht und einfacher zu kontrollieren. Es versteht sich, dass diese Kombination von Vorteilen die Herstellungs- und Montagekosten reduziert.
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In einer anderen Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist, ist die Anordnung einer Kerbverzahnungskupplung 100 abgebildet. Der Vorsprung hat über seine gesamte Länge eine konstante Höhe. Ein Ende des Vorsprungs hat eine erste Breite W1, die sich am Schnittpunkt mit dem zweiten Abschnitt 80 zu einer Breite W2 aufweitet. Der Winkel der Seitenwand 102 bleibt konstant zwischen dem Ende des Vorsprungs 74 und dem Schnittpunkt mit dem zweiten Abschnitt 80. Die Breite W2 ist so bemessen, dass ein schmaler Zwischenraum zwischen der Seite des zweiten Abschnitts 80 und der Seitenwand 76 entsteht. Es versteht sich, dass diese Ausführungsform ähnliche Vorteile bietet wie jene, die weiter oben beschrieben sind, indem die Montage der ersten und der zweiten drehbaren Komponente erleichtert wird und die Produzierbarkeit der Anordnung der Kerbverzahnungskupplung 100 verbessert wird.
