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Gebiet der Erfindung
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Getriebevorrichtung, zumindest ein Gehäuse und einen Planetentrieb aufweisend, wobei der Planetentrieb wenigstens aus einem um eine Zentralachse der Getriebevorrichtung drehbar in dem Gehäuse gelagerten Planetenträger und aus einem um die axial ausgerichtete Zentralachse rotierbaren Sonnenrad im Zahneingriff mit Planetenrädern gebildet ist, und wobei das Sonnenrad mit einem Axiallager richtungsgleich mit der Zentralachse axial an einem Bauteil der Getriebevorrichtung abgestützt ist. Die Erfindung betrifft auch eine Antriebseinheit mit einem elektrischen Antrieb und der einer Getriebevorrichtung, in der das Sonnenrad mit einer Rotorwelle des elektrischen Antriebs verbunden ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine derartige Getriebevorrichtung ist in
JP2011208758 A 2 offenbart. Die Getriebevorrichtung gehört zu einem Hybridantriebsstrang, der einen Verbrennungsmotor und zwei elektrodynamische Maschinen aufweist. Die elektrodynamische Maschinen können wahlweise als Antrieb oder Generator eingesetzt werden. Die Rotorwelle eines der Antriebe ist, wie wie bei Elektromotoren allgemein üblich ist, mit Kugellagern im Gehäuse der Antriebseinheit gelagert und über eine Rutschkupplung nach Art einer Lamellenkupplung einem Planetentrieb wirkverbunden. Der Planetentrieb weist einen Planetenträger, einen Satz Planeten, ein Hohlrad und ein Sonnenrad auf. Die Lamellenkupplung besteht aus einem äußeren Lamellenträger und einem inneren Lamellenträger. Die Nabe des äußeren Lamellenträgers ist mit einer Kerbverzahnung versehen, die in einer formschlüssigen Verbindung mit einer Kerbverzahnung der Rotorwelle steht. An dem äußeren Lamellenträger sitzen innen wie üblich axial verschiebbar äußere Lamellen, die sich mit inneren Lamellen der Lamellenkupplung abwechseln. Die inneren Lamellen sitzen außen auf dem inneren Lamellenträger, dessen Nabe das Sonnenrad des Planetentriebs ist. Der Schaft des Sonnenrades und der innere Lamellenträger sind fest miteinander verbunden. Das Sonnenrad ist an einer Lagerstelle mittels eines Gleitlagers radial auf der Rotorwelle gelagert und an einer anderen Lagerstelle mittels eines Axiallagers axial an dem Planetenträger gelagert. Der Planetenträger ist radial über ein Nadellager an einer Welle und die Welle radial über ein Kugellager an dem Gehäuse der Antriebseinheit gelagert.
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Das Sonnenrad muss sich an den Planetenrädern frei ungehindert radial selbst zur Zentralachse des Planetentriebs zentrieren können, damit die Leistung gleichmäßig über alle mit dem Sonnenrad im Zahneingriff stehenden Planetenräder übertragen wird. Das mit einer Schrägverzahnung versehene Sonnenrad stützt sich dabei axial über das Axiallager an dem Planetenträger ab.
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Nachteilig in solchen Anordnungen ist, dass die formschlüssigen Verbindungen und Mittenversätze von rotierenden Bauelementen bzw. von deren Lagern die Selbstzentrierung behindern. Dadurch entstehen unerwünschte Zwangskräfte in den Verzahnungen und Lagern, die zu vorzeitigem Ausfall der Antriebseinheit führen können. Die Bauteile und deren Passungen müssen deshalb mit entsprechendem Aufwand und hohen Kosten sehr genau hergestellt werden. Um dem entgegenzuwirken, werden oft auch die formschlüssigen Verbindungen mit wesentlich größerem Spiel hergestellt, um diese Nachteile zu kompensieren. Dieses größere Spiel führt jedoch wiederum gerade in den Verbindungen, in denen ungewollter Versatz besteht, zu Relativbewegungen in der Verbindung. Diese Relativbewegungen können Geräusche und auch ungewollten Verschleiß verursachen.
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Außerdem können axiale Verspannungen in der Anordnung dazu führen, dass axiale Kräfte auf Lagerstellen wirken, deren Kugellager nicht für die Aufnahme von hohen axialen Kräften vorgesehen und dafür auch nicht geeignet sind. Um dem zu begegnen, werden die axialen Belastungen auf Axialnadel- oder Rollenlager „umgeleitet“, die den hohen Belastungen entsprechend groß ausgelegt werden müssen und die demnach viel Bauraum beanspruchen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Antriebseinheit mit einem elektromotorischen Antrieb und mit einer Getriebevorrichtung zu schaffen, in der Verspannungen zwischen Bauelementen vermieden werden, in der sich das Sonnenrad ungehindert zentrieren kann und die wenig Bauraum beansprucht.
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Die Aufgabe ist nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung sieht vor, dass das Axiallager für das Sonnenrad in der Getriebevorrichtung ein Kugellager ist. Ein weiterer Anspruch sieht eine Antriebseinheit mit einer derartigen Getriebevorrichtung vor.
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Das Sonnenrad ist mittels des Kugellagers axial an dem Bauteil abgestützt gelagert. Das Bauteil kann beispielsweise eine Getriebewelle, ein benachbarter Planetenträger oder ein Gehäuse sein. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil der Planetenträger der Getriebevorrichtung ist. Das Kugellager ist vom Typ her ein Radiallager und zumindest mit einer dem Sonnenrad rotationsfest zugeordneten ersten Wälzlaufbahn und wenigstens einer an einem Außenring ausgebildeten zweiten Wälzlaufbahn sowie mit radial zwischen den Wälzlaufbahnen angeordneten Kugeln versehen. Die zweite Wälzlaufbahn am Außenring umgibt die erste Wälzlaufbahn am Sonnenrad konzentrisch umfangsseitig. Alternativ und vorzugsweise ist die innere Wälzlaufbahn an einem auf/an dem Sonnenrad sitzenden Innenring ausgebildet. Das Besondere an der Erfindung ist dabei, dass der Außenring des Kugellagers gegenüber dem Bauteil radial beweglich freigestellt ist, so dass das Kugellager entgegen seiner ursprünglichen Bestimmung nur als Axiallager eingesetzt ist. Die Zentralachse der Getriebevorrichtung ist axial ausgerichtet. Radial ist demnach quer zur Zentralachse.
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Der Außenring des Kugellagers ist vorzugsweise beidseitig axial am Bauteil gesichert, so dass das Sonnenrad vorteilhaft in beide axiale Richtungen axial gelagert ist. Gegenüber den üblichen Lagerungen mit Axialnadellagern hat das mehre Vorteile. Übliche Axiallagerungen mit Wirkung in entgegengesetzte axiale Richtungen bestehen in Getrieben aus zwei Axialnadel- oder Rollenlagern, die links- und rechtsseitig des zu lagernden Bauteils angeordnet werden. Dementsprechend entstehen Kosten für die Herstellung und die Installation von zwei Lagern in das Getriebe. Es muss Bauraum für zwei Lager vorgesehen werden. In der erfindungsgemäßen Getriebevorrichtung wird dementgegen nur Bauraum für ein Lager benötigt. Die Kosten für die Herstellung und Montage der Getriebevorrichtung sind aufgrund der Verwendung nur eines Lagers erheblich reduziert. Die innere Reibung von Kugellagern ist geringer als die von Axiallagern. Der Aufwand für Schmierung und Kühlung in der Getriebevorrichtung kann durch den Einsatz von Kugellagern reduziert werden.
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Die Kugellager können vorteilhaft als Massenware angebotene Katalogteile sein. Sie sind für den Einsatz bei hohen Drehzahlen gut geeignet. Da der Außenring frei gestellt ist, kann das Kugellager keine radialen Kräfte aufnehmen aber die axialen Kräfte werden gleichmäßig auf alle Kugeln verteilt. Das Sonnenrad kann sich trotz der Verwendung eines Radiallagers frei zentrieren, da der Außenring gegenüber dem Bauteil freigestellt ist. Die zulässigen Nenndrehzahlen der Kugellager sind wesentlich höher als die von Axial-Nadellagern.
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Die üblicherweise zur axialen Lagerung eingesetzten Axiallager sind vom Typ eines Axialnadellagers, das aus zwei Axialscheiben und einem Nadelkranz gebildet ist. Die Wälzkörper des Nadelkranzes sind bekanntlich Nadeln, die in einem Axialkäfig geführt sind. Der Wälzkontakt ist dementsprechend als Linienkontakt ausgebildet. Diese Lager weisen deshalb einer relativ hohe axiale Tragfähigkeit auf. Die innere Reibung des Axiallagers ist entsprechend hoch. Außerdem sind den Drehzahlen von Axialnadel- bzw. Rollenlagern aufgrund der Drehzahldifferenzen zwischen radialer Innenseite der Axiallaufbahnen und radialer Außenseite der Axiallaufbahnen Grenzen gesetzt. In elektromotorischen Antriebseinheiten werden die Leistungen mit hohen Antriebsdrehzahlen der Elektromotoren mittels Planetengetrieben in geringere Drehzahlen und höhere Momente untersetzt. Die mit der Rotorwelle gekoppelte Eingangswelle des Planetengetriebes ist dabei 1:1 den Antriebsdrehzahlen der Elektromotoren ausgesetzt. Da die Eingangswelle in diesem Fall das Sonnenrad ist, muss nach dem Stand der Technik ein Axialnadellager dementsprechend für die hohen Drehzahlen ausgelegt sein. Das ist aus den vorgenannten Gründen unter Umständen sehr schwierig. Das Axiallager wird dadurch sehr anfällig, weil dessen Belastungsgrenzen an sich schon durch Drehzahlgrenzen ausgereizt sind. Aus Zahnkräften resultierende axiale Belastungen, die durch axiale Kräfte aus Versatz oder Verspannungen noch höher werden, können deshalb unweigerlich zum vorzeitigen Ausfall der Lager des Typs Axialnadellager führen.
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Die in der erfindungsgemäßen Getriebevorrichtung verwendeten Kugellager weisen vorzugsweise eine oder auch mehr Reihen umfangsseitig zueinander benachbarter Kugeln auf. Die Kugelmittelpunkte der Kugeln einer Reihe liegen mit gleichem radialem Abstand zur Rotationsachse des Kugellagers in einer Mittelpunkts-Radialebene, die senkrecht von der Rotationsachse des Kugellagers und der Zentralachse der Getriebewelle durchstoßen ist.
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Die Wälzlaufbahnen der Kugellager sind um die Rotationsachse verlaufende Rillen, die axial zwischen zwei ringförmig um die Rotationsachse verlaufenden Borden ausgebildet sind. Die Rillen sind in beliebigen Längsschnitten längs entlang der Rotationsachse des Kugellagers als Kurven abgebildet. Die Kurven sind wellenseitig an den inneren Wälzlaufbahnen vom Kugelzentrum aus betrachtet konkav in Richtung Rotationsachse/Welle gekrümmt bzw. gehäuseseitig an den äußeren Wälzlaufbahnen vom Kugelzentrum aus betrachtet in Richtung Gehäuse konkav gekrümmt. Die Kurven sind im einfachsten Fall jeweils durch einen Radius beschrieben. Dieser Radius ist größer als der Kugelradius. Das Verhältnis von Radius zum Kugelradius wird als Schmiegung bezeichnet. Die Rillen können in derartigen Längsschnitten betrachtet jedoch nicht nur durch einen einzigen Radius, sondern mit beliebigen Krümmungsverläufen, z.B. durch mehrere einander anschließende Kurvenabschnitte mit unterschiedlichen Radien, beschrieben sein. Die Kurven haben jeweils einen Scheitelpunkt. Als Scheitelpunkt wird der im Nennzustand in Belastungsrichtung liegende Punkt auf der Kurve verstanden, an dem die Kurvenlinie in ihrem Verlauf die Richtung wechselt.
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Der Typ der Kugellager kann anhand der vorgesehenen Ausrichtung bei Nennbelastung sowie anhand der Anzahl seiner Kontaktpunkte und der daraus resultierenden Belastungsrichtung im Betrieb beschrieben werden. Dabei wird zwischen einem Nennzustand bei unbelastetem Kugellager und einem Belastungszustand bei belastetem Kugellager unterschieden.
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Die Kugellager sind durch Punktkontakt der Kugeln mit den Wälzlaufbahnen charakterisiert. Dabei ist im Nennzustand des Kugellagers die konvex gekrümmte Oberfläche der Kugel in der jeweiligen konkaven Rille der inneren Wälzlaufbahn und der äußeren Wälzlaufbahn jeweils an mindestens einem Kontaktpunkt abgestützt. Dabei liegen sich die Kontaktpunkte der beiden Wälzlaufbahnen an dem Kugelmittelpunkt gegenüber und können mit einer gedachten Drucklinie miteinander verbunden werden. Die Drucklinie verläuft dabei durch den Kugelmittelpunkt. Der Winkel, der im Nennzustand des Kugellagers zwischen der jeweiligen Drucklinie und der Mittelpunkts-Radialebene ausgebildet ist, wird als Nenndruckwinkel bezeichnet. Der Ergänzungswinkel zu einem 90° Winkel zwischen der Mittelpunkts-Radialebene ist dementsprechend der zwischen der Drucklinie und der Zentralachse eingenommene Winkel.
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Bei Belastung des Kugellagers wird eine aus radialen und axialen Komponenten resultierende Lagerlast (Kraft) betrachtet, die entlang dieser Drucklinie im Belastungszustand verläuft. Dabei kann eine der Komponenten auch Null sein.
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Im Belastungszustand ändert sich der Punktkontakt in Flächenkontakt, der idealisiert als eine Druckellipse bezeichnet wird. Die Ausdehnung der Druckellipse ist unter anderem auch von der Höhe der Belastung und der Abmessung der Kugel sowie der Geometrie der Wälzlaufbahn abhängig. Die jeweilige Drucklinie verläuft im Belastungszustand durch die Flächenschwerpunkte der elliptischen Fläche der beiden Druckellipsen und durch den Kugelmittelpunkt. Die Drucklinie ist dabei zur Mittelpunkts-Radialebene mit einem Betriebsdruckwinkel geneigt, der vom Nenndruckwinkel abweichen kann. Wie weit der Betriebsdruckwinkel vom Nenndruckwinkel abweicht, ist von Kriterien wie von der Wirkrichtung der Resultierenden, dem Betriebsspiel des Lagers, von elastischen Verformungen, vom Richtungswechsel der Belastungen und vom Typ des Kugellagers abhängig.
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In der Getriebevorrichtung sind erfindungsgemäß wahlweise mindestens zwei Typen der Gattung Radial-Kugellager vorgesehen, die jedoch zur axialen Lagerung des Sonnenrades am Planetenträger verwendet werden.
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Die Erfindung sieht die Verwendung wenigstens eines Radial-Kugellagers vor, das ein Kugellager mit Zweipunktkontakt sein kann und das weitläufig auch als Radial-Rillenkugellager oder Radial-Kugellager bezeichnet wird. In Radial-Kugellagern im Zweipunktkontakt sind die Drucklinien im Nennzustand zunächst radial zur Rotationsachse ausgerichtet und schneiden die Rotationsachse in einem gemeinsamen Punkt. Die innere Wälzlaufbahn und die äußere Wälzlaufbahn sind so konzentrisch ineinander angeordnet, dass die Scheitelpunkte der konkaven Kurven der beiden Wälzlaufbahnen sich im Nennzustand des Kugellagers einander radial in der Mittelpunkts-Radialebene gegenüberliegen, in welcher auch die Kugelzentren liegen. Die Kontaktpunkte liegen in der Radialebene auf den Scheitelpunkten der Kurven der Wälzlaufbahnen. Der Nenndruckwinkel ist 0°.
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Bei ausschließlicher radialer Lagerbelastung ist die Resultierende der Lagerlast in Radial-Kugellagern mit Zweipunktkontakt senkrecht zur Rotationsachse gerichtet. Diese Lagerlast wird in Radial-Kugellagern anteilig auf nur einige umfangsseitig zueinander benachbarte Kugeln des Kugellagers verteilt während andere nahezu unbelastet bleiben. Die Drucklinien in den belasteten Kugeln sind dabei weiterhin radial senkrecht zur Rotationachse ausgerichtet und verlaufen alle in einer Radialebene. Der jeweilige Betriebsdruckwinkel, der zwischen der jeweiligen Drucklinie und der Radialebene ausgebildet ist, entspricht dem Nenndruckwinkel und beträgt 0°.
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Wenn das Radial-Rillenkugellager auch mit axialen Kraftkomponenten belastet ist, d.h., auch mit der Rotationsachse gleichgerichtete Kräfte angreifen, können sich die Wälzlaufbahnen axial zueinander verschieben und/oder relativ zueinander verkippen. Die Kugelmittelpunkte der einzelnen Kugeln können aus der gemeinsamen Radialebene in verschiedene zueinander benachbarte Radialebenen verschoben werden. Die resultierende Lagerlast wird auf einer Drucklinie liegen, die je nach Lastrichtung zur einen Seite hin um einen Betriebsdruckwinkel von größer als 0° zur Radialebene und in die andere Richtung um den entsprechenden Ergänzungswinkel zwischen 0° und kleiner 90° zur Rotationsachse geneigt ist. Die axiale Komponente wird anteilig auf die Kugeln des Kugellagers verteilt. Die radiale Komponente ist je nach Höhe der axialen Komponente nur auf einige umfangsseitig zueinander benachbarte der Kugeln oder aufgrund der axialen Vorspannung des Kugellagers durch eine ausreichend gro-ße Axialkomponente auf alle Kugeln mehr oder weniger anteilig verteilt. Die Scheitelpunkte der konkaven Kurven der Wälzlaufbahnen verschieben sich in Abhängigkeit vom Lagerspiel, der Schmiegung und der elastischen Einfederung axial so zueinander, dass der Scheitelpunkt der inneren Wälzlaufbahn einer anderen senkrecht von der Rotationsachse durchstoßenen Radialebene liegt, als der jeweilige Scheitelpunkt der äußeren Laufbahn. Die Druckellipse und deren Schwerpunkt verschiebt sich dementsprechend aus der gemeinsamen Radialebene und dem Scheitelpunkt heraus und dabei am jeweiligen Bord der Wälzlaufbahn hoch. Wenn der Kontakt der Kugeln mit der Wälzlaufbahn dabei zu weit an den Rand des Bordes wandert, kann die Druckellipse sich nicht vollständig flächenhaft ausbilden und wird an der Kante des Bordes „gebrochen“. Die dabei entstehende Spannung ist nicht gleichmäßig verteilt setzt sich über die Kante des Bordes fort. Es können dadurch unzulässige Kantenspannungen am Rand des Bordes und ungewünschte Spannungsspitzen in den Kugeln entstehen. Deshalb kann ein Kugellager mit Zweipunktkontakt nur begrenzte axiale Lagerbelastungen aufnehmen. Da das Rillen-Kugellager in der erfindungsgemäßen Verwendung nur axial belastet ist, wird die Belastung zunächst vorteilhaft auf alle Kugeln und nicht nur auf einen Anteil aufgeteilt. Das Rillenkugellager kann bei hohen Drehzahlen eingesetzt werden und weist aufgrund des Zweipunkt-Kontaktes nur geringe innere Reibung auf. Das Rillen-Kugellager kann allerdings auch nur eingesetzt werden, wenn die zu erwartenden Axialkräfte relativ gering sind.
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Eine weitere und vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung sieht deshalb die Verwendung von Vierpunkt-Kugellagern vor. In Vierpunkt-Kugellagern sind die innere und äußere Wälzlaufbahnen in beliebigen Längsschnitten entlang der Rotationsachse durch das Kugellager geteilt und jeweils durch zwei konkave Kurven bzw. zwei Scheitelpunkte beschrieben. Das kann jeweils an einer Rille eines ungeteilten Lagerrings oder an einer durch zwei Ringe eines Lagerringes gebildeten „geteilten“ Rille sein. Dadurch ergibt sich der Kontakt der jeweiligen Kugel zumindest im Nennzustand in vier Kontaktpunkten. Die äußere Wälzlaufbahn weist zwei davon auf und zwei Kontaktpunkte sind an der inneren Wälzlaufbahn vorgesehen.
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Die Rillen sind radial konzentrisch ineinander so angeordnet, dass in den beliebigen Längsschnitten durch das Kugellager entlang der Rotationsachse jeweils ein Scheitelpunkt der äu-ßeren Wälzlaufbahn sowohl einem weiteren Scheitelpunkt der äußeren Wälzlaufbahn axial gegenüberliegt als auch einem Scheitelpunkt an der inneren Wälzlaufbahn radial in einer Ebene oder leicht axial versetzt gegenüberliegt. Die Scheitelpunkte der inneren Wälzlaufbahn weisen dabei im Nennzustand und im Belastungszustand den gleichen radialen Abstand zur Rotationsachse auf, liegen aber axial zueinander beabstandet in unterschiedlichen Radialebenen. Diese Radialebenen sind axial zur Mittelpunkts-Radialebene benachbart. Gleiches gilt für die äußere Wälzlaufbahn. Im Normalfall liegen jeweils ein Scheitelpunkt der inneren Wälzlaufbahn und ein Scheitelpunkt der äußeren Wälzlaufbahn in einer gemeinsamen Radialebene, die senkrecht von der Rotationsachse des Kugellagers durchstoßen ist. Im Nennzustand sind die Scheitelpunkte Kontaktpunkte.
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Die Kontaktgeometrie bildet sich so ab, dass an jeder Kugel der Vierpunktkugellagers jeweils eine Drucklinie durch einen in einer ersten Radialebene liegenden Kontaktpunkt mit der äußeren Wälzlaufbahn und einen Kontaktpunkt mit der inneren Wälzlaufbahn in einer zweiten Radialebene verläuft und eine Drucklinie durch einen in der zweiten Radialebene liegenden Kontaktpunkt mit der äußeren Wälzlaufbahn und durch einen in der ersten Radialebene liegenden Kontaktpunkt mit der inneren Wälzlaufbahn verläuft. Die jeweilige Drucklinie durchdringt nach Definition den jeweiligen Kugelmittelpunkt in der Mittelpunkts-Radialebene. Die von der einen Seite ausgehenden Drucklinien schneiden die Rotationsachse des Vierpunkt-Kugellagers bzw. die Zentralachse der Getriebevorrichtung in einen gemeinsamen Schnittpunkt. Dadurch kreuzen sich jeweils zwei Drucklinien in einem Kugelmittelpunkt, der gemeinsam in einer Mittelpunkts-Radialebene liegenden Kugelmittelpunkte. Die Schnittpunkte auf der Rotationsachse sind axial zueinander beabstandet und liegen links- und rechtseitig mit axialem Abstand zur der Radialebene beabstandet in der die Kugelmittelpunkte. Daraus ergibt sich, dass die Drucklinien jeweils mit einem Nenndruckwinkel, der größer als 0° ist, und einem entsprechenden Ergänzungswinkel kleiner als 90° zur Radialebene geneigt ausgerichtet sind.
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Im Belastungszustand mit ausschließlich radialer Belastung sind die Kräfte im Vierpunkt-Kugellager auf nur einige umfangsseitig zueinander benachbarte Kugeln verteilt - dabei so, dass dies einzelnen Kugel an vier Kontaktpunkten im Kugellager abgestützt sind. Im Belastungszustand mit radialen und axialen Belastungen verharren die Kontaktpunkte relativ starr in den Scheitelpunkten oder bewegen sich nur wenig von diesen weg, d.h., die Nenndruckwinkel und der Betriebsdruckwinkel sind gleich oder nahezu gleich. Die Abweichungen können durch Verkippungen der Welle im Rahmen des Betriebsspiels und die Schmiegung vorgegeben sein. Die Wälzlaufbahnen und damit die Lagerringe sind relativ starr in ihrer Position gehalten. Auf die Änderung der Lage der Kontaktpunkte zum jeweiligen Bord muss deshalb vorteilhaft keine Rücksicht genommen werden. Es können hohe axiale Belastungen, insbesondere Wechselbelastungen aufgenommen werden.
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Die innere Reibung der Vierpunkt-Kugellager ist normalerweise, d.h. bei radialer Belastung oder kombinierte Radial-Axialbelastung, aufgrund des Vierpunkkontakts relativ hoch. Bei ausschließlicher Axialbelastung ergibt sich im Vierpunkt-Kugellager aufgrund des Betriebsspiels jedoch ein Zweipunktkontakt nach Art eines Schrägkugellagers, so dass dieser Nachteil durch die erfindungsgemäße Verwendung der Vierpunkt-Kugellager ausgeschlossen werden kann. Es werden die Vorteile von hohen zulässigen Nenndrehzahlen, geringerer innerer Reibung der Zweipunkt-Kontakt Rillenkugellager mit der hohen Steifigkeit eines Vierpunkt-Radiallagers vereint.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels einer Antriebseinheit 1 mit einer Getriebevorrichtung 2 näher erläutert.
- 1 zeigt die Antriebseinheit 1 schematisch vereinfacht in einem Längsschnitt entlang der Zentralachse 3 der Getriebevorrichtung 2.
- 2 zeigt nicht maßstäblich vergrößert das Detail Z der Getriebevorrichtung 2 aus der Darstellung nach 1.
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1: Die Antriebseinheit 1 weist einen elektromotorischen Antrieb 4 auf, dessen Rotorwelle 5 mit einem Sonnenrad 6 der Getriebevorrichtung 2 über eine Formschlussverbindung 7 wirkverbunden ist. Die Formschlussverbindung 7 ist z.B. über eine Keilverzahnung hergestellt, so dass das Sonnenrad 6 gegenüber der Rotorwelle 5 begrenzt axial verschiebbar ist. Dadurch ist abgesichert, dass die Lagerung 28 der Rotorwelle 5 nicht mit Axialkräften des Sonnenrads 6 beaufschlagt werden kann. Die Getriebevorrichtung 2 ist unvollständig dargestellt. Erkennbar sind ein Gehäuse 7 und teilweise ein Planetentrieb 8. Der Planetentrieb 8 ist wenigstens aus einem Planetenträger 10, aus dem Sonnenrad 6 und einem Satz Planetenräder 9 gebildet. Der Planetenträger 10 weist zwei Trägerplatten 10a und 10b auf, an denen Planetenbolzen 9a getragen sind. Die Planetenräder 9 sitzen auf den Planetenbolzen 9a. Die Rotationsachsen des Sonnenrades 6 und des Planetenträgers 10 ist jeweils die Zentralachse 3. Das Sonnenrad 6 ist mit einem Axiallager 11 richtungsgleich mit der Zentralachse 3 an einem Bauteil 34 der Getriebevorrichtung 2 axial abgestützt bzw. gelagert. Das Axiallager 11 sitzt an einem von der Rotorwelle 5 axial abgewandten Wellenende des Sonnenrades 6 und in dem Bauteil 34. Das Bauteil 34 ist in diesem Ausführungsbeispiel der Planetenträger 10.
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2: Der Planetenträger 10 weist in einer Trägerplatte 9b eine Gehäusebohrung 18 auf, die in das Material des Planetenträgers 10 gebohrt, gestanzt oder beliebig auf anderem Wege eingebracht ist. An der Gehäusebohrung 18 ist innen eine innenzylindrischen Fläche 18a ausgebildet.
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Das Axiallager 11 ist ein Kugellager 12. Das Kugellager 12 weist eine innere Wälzlaufbahn 13 an einem Innenring 14 auf. Der Innenring 14 ist geteilt und sitzt fest auf einem Wellenstummel 6a des Sonnenrades 6. An dem Innenring 14 ist eine innere Wälzlaufbahn 13 ausgebildet, die geteilt ist. Alternativ ist es denkbar, dass die innere Wälzlaufbahn direkt in die Oberfläche des Wellenstummels 6a eingebracht ist. Außerdem ist das Kugellager 12 mit einem Außenring 15 versehen, an dem eine äußere Wälzlaufbahn 16 ausgebildet ist. Der Außenring 15 umgibt den Innenring 14 umfangsseitig um die Zentralachse 3. Dadurch sind die Wälzlaufbahnen 13 und 16 ineinander konzentrisch angeordnet. Radial zwischen dem Außenring 15 und dem Innenring 14 sind Kugeln 17 in einer Reihe umfangsseitig um die Zentralachse 3 an den Wälzlaufbahnen 13 und 16 angeordnet. Die Rotationsachse des Kugellagers 12 und die Zentralachse 3 liegen aufeinander. Der Außenring 15 ist radial gegenüber dem Bauteil 34 beweglich freigestellt und dabei innerhalb eines Radialspieles S radial relativ zur innenzylindrischen Fläche 18a beweglich jedoch axial in beide Richtungen der Zentralachse 3 zwischen einem Sicherungsring 19 und einer Gehäuseschulter 18b axial festgelegt. Das Radialspiel S setzt sich nach der Darstellung in 2 aus den Spaltmaßen S1 und S2 eines Ringspaltes 20 zusammen, von denen jedes im Idealfall die Hälfte vom Radialspiel S ist. Im Idealfall ist das Sonnenrad 6 an den Planetenrädern 9 so zentriert, dass dessen Rotationsachse exakt konzentrisch mit der Zentralachse 3 übereinstimmt. Das Sonnenrad 6 ist an nur einer Lagerstelle in der Getriebevorrichtung 2 gelagert, die als einziges Lager das Kugellager 12 aufweist. Der Vorteil liegt darin, dass das Sonnenrad 6 sich demnach durch Verkippung und/oder Parallelverschiebung zur Zentralachse 3 im Rahmen des Spieles ungehindert zentrieren kann.
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1 und 2: Das Kugellager 12 ist ein Vierpunktkugellager, in dem die Kugelmittelpunkte 23 der Kugeln in einer senkrecht in die Bildebene hinein verlaufende Mittelpunkts-Radialebene ME liegen. Das Vierpunktkugellager ist in in dem dargestellten und entlang der Zentralachse 3 verlaufenden Längsschnitten (siehe insbesondere 2) durch jeweils zwei gedachte, sich im Kugelmittelpunkt 23 kreuzende und dabei jeweils einen ersten Kontaktpunkt 24 der Kugel mit der inneren Wälzlaufbahn 13 und einen zweiten Kontaktpunkt 25 mit der äu-ßeren Wälzlaufbahn 16 durchdringenden Kontaktlinien 21 und 22 charakterisiert. In jeder Radialebene E1 bzw. E2 liegt ein Kontaktpunkt 24 und 25. Die beiden Radialebenen E1 und E2 verlaufen links parallel zur Mittelpunkts-Radialebene ME. Jede der Kontaktlinien ist mit einem Winkel 90° > α > 0° zur Zentralachse, vorzugsweise mit einem Winkel 90° > α > 55° geneigt. Ausgehend von dieser Kontaktgeometrie und Spiel im Kugellager 12 wird sich das Sonnenrad 6 je nach Belastungsrichtung durch axiale Kräfte in die eine axiale Richtung über die Wellenschulter 26 an dem Innenring 14 und entlang der Kontaktlinien 22 über den Außenring 15 und den Sicherungsring 19 in der Gehäusebohrung 18 oder in die andere axiale Richtung über den Sicherungsring 27 an dem Innenring 14 und entlang der Kontaktlinien 21 über den Au-ßenring 15 an der Gehäuseschulter 18b abstützen. Der ausgewählte Winkelbereich sichert ab, dass als Axiallager ein Standard-Vierpunktkugellager, beispielsweise einer Katalogbaureihe, eingesetzt werden kann und die axiale Belastbarkeit bei hohen Drehzahlen in optimalen Bereichen liegt.
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1: Der Planetenträger 10 ist an einer ersten Lagerstelle 29 und einer axial zu der ersten Lagerstelle beabstandeten zweiten Lagerstelle 30 um die Zentralachse 3 rotierbar gelagert sowie in entgegengesetzte axiale Richtungen fest an dem Gehäuse 7 abgestützt. Jede der Lagerstellen 29 und 30 weist ein Schrägkugellager 31 und 32 auf. Das jeweilige Schrägkugellager 31 und 32 ist dem Längsschnitt nach 1 durch Kontaktlinien 33 charakterisiert, welche mit einem Winkel 90° > α > 0° zur Zentralachse 3 geneigt sind. Dabei sind die Schrägkugellager 31 und 32 so gegeneinander angestellt, dass die Kontaktlinien 33 die Zentralachse 3 jeweils in einem Schnittpunkt 35 schneiden, der axial zwischen den beiden Lagerstellen 29 und 30 liegt. Das Kugellager 12 ist konzentrisch zu einem der Schrägkugellager 32 so angeordnet, dass dieses von dem Schrägkugellager 32 umgeben ist, so dass der von beiden Kugellagern 12 und 32 beanspruchte axiale Bauraum vorteilhaft auf den Platzanspruch von nur einem Kugellager reduziert ist.
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Bezugszeichen
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Getriebevorrichtung
- 3
- Zentralachse
- 4
- elektromotorischer Antrieb
- 5
- Rotorwelle
- 6
- Sonnenrad
- 6a
- Wellenstummel
- 7
- Gehäuse
- 8
- Planetentrieb
- 9
- Planetenrad
- 9a
- Planetenbolzen
- 10
- Planetenträger
- 10a
- Trägerplatte
- 10b
- Trägerplatte
- 11
- Axiallager
- 12
- Kugellager
- 13
- innere Wälzlaufbahn
- 14
- Innenring
- 14a
- Lagerring
- 14b
- Lagerring
- 14c
- Hülse
- 15
- Außenring
- 16
- äußere Wälzlaufbahn
- 17
- Kugel
- 18
- Gehäusebohrung
- 18a
- innenzylindrische Fläche
- 18b
- Gehäuseschulter
- 19
- Sicherungsring
- 20
- Ringspalt
- 21
- Kontaktlinie
- 22
- Kontaktlinie
- 23
- Kugelmittelpunkt
- 24
- Kontaktpunkt
- 25
- Kontaktpunkt
- 26
- Wellenschulter
- 27
- Sicherungsring
- 28
- Lagerung der Rotorwelle
- 29
- Lagerstelle
- 30
- Lagerstelle
- 31
- Schrägkugellager
- 32
- Schrägkugellager
- 33
- Kontaktlinien
- 34
- Bauteil
- 35
- Schnittpunkt
