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Die Erfindung betrifft ein Planetengetriebe mit einem Hohlrad, welches in einem Gehäuse des Planetengetriebes gelagert ist.
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Planetenradgetriebe werden bei Kraftfahrzeugen beispielsweise bei Automatikgetrieben oder bei Achsdifferenzialen verwendet. In Hybridfahrzeugen werden Planetengetriebe als Summiergetriebe verwendet, um den Elektromotor und den Verbrennungsmotor mit einem gemeinsamen Abtrieb zu koppeln.
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Ein Planetengetriebe besteht in der Regel aus einem zentral gelagerten Sonnenrad, einem Hohlrad und mehreren Planetenrädern, die zwischen Sonnenrad und Hohlrad abrollen. Aus diesem Aufbau erklärt sich der Begriff Planetengetriebe, da die Planetenräder das Sonnenrad so umkreisen wie im astronomischen Sinn die Planeten eine Sonne. Der Vorteil der Planetengetriebe ergibt sich durch die Lastverteilung auf mehrere Planetenräder. Dadurch ist es möglich, bei kompakter Bauweise hohe Drehmomente zu übertragen und entsprechend große Übersetzungsverhältnisse zu realisieren. Planetenradgetriebe weisen zudem einen hohen mechanischen Wirkungsgrad auf. Dabei haben Planetengetriebe oft ein hohes Betriebsgeräusch, welches vornehmlich durch das Abrollen der Zahnräder des Planetengetriebes und den Eingriff der entsprechenden Zahnflanken entsteht. Während der Luftschall, der innerhalb des Getriebes entsteht, nicht in nennenswertem Ausmaß nach außen dringt, werden die Schwingungen der Zahnräder und Träger über das Hohlrad und ein mit dem Hohlrad verbundenes Gehäuse übertragen, welches die Schwingungen auch außerhalb des Planetengetriebes hörbar macht.
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Aus der
DE 102 30 861 A1 ist ein Kraftfahrzeuggetriebe in Planetenbauweise bekannt, bei dem zur Reduzierung der Schwingungen zwischen dem Hohlrad und der Abtriebswelle eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen ist, um den von dem Hohlrad auf die Abtriebswelle übertragenen Körperschall zu reduzieren und somit die nach außen abgegebenen Geräusche des Planetengetriebes zu minimieren. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass durch die in der
DE 102 30 861 A1 vorgeschlagene Lösung nur unzureichend Axialkräfte übertragen werden können, diese Lösung in radialer Richtung einen erhöhten Bauraumbedarf aufweist und eine aufwendige Montage des Planetengetriebes erforderlich macht. Zudem kann die Lösung der
DE 102 30 861 A1 nicht ohne erhebliche Modifikationen auf ein mit dem Gehäuse verbundenes Hohlrad übertragen werden, da in diesem Fall die Schwingungen auf das Gehäuse übertragen werden und somit die Getriebegeräusche nach außen getragen werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Planetengetriebe mit drehfest gelagertem Hohlrad die Geräuschentwicklung und das Schwingungsverhalten zu verbessern und insbesondere die Körperschallübertragung auf das Gehäuse zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, mindestens einem Planetenrad und einem Hohlrad gelöst, wobei das Hohlrad drehfest in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei an dem Hohlrad und/oder an dem Gehäuse mindestens eine Ausnehmung vorgesehen ist, und wobei zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse mindestens ein Entkopplungselement angeordnet ist, welches formschlüssig in der mindestens einen Ausnehmung aufgenommen ist. Durch das erfindungsgemäße Planetengetriebe ist es möglich, das Schwingungsverhalten und die Geräuschentwicklung des Planetengetriebes deutlich zu verbessern und insbesondere eine Übertragung von Körperschall auf das Gehäuse des Planetengetriebes stark zu reduzieren. Dabei kann das Schwingungsverhalten durch den Austausch der Entkopplungselemente abgestimmt und dem jeweiligen Verwendungszweck angepasst werden. Gleichzeitig wird das Hohlrad durch die Entkopplungselemente zentriert. Dabei können auch die aufgrund von Schrägverzahnungen entstehenden Axialkräfte auf das Hohlrad abgestützt werden, sodass diese Lösung sowohl für geradverzahnte Hohlräder als auch für schrägverzahnte Hohlräder einsetzbar ist. Die elastische Nachgiebigkeit der Lagerung kann über die Querschnittsform, Härte und die Profilgestaltung der Entkopplungselemente eingestellt werden. Ferner ist vorgesehen, dass anstelle eines einzelnen Entkopplungselements ein Paket aus mehreren geschichteten Entkopplungselementen zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse angeordnet wird. Unter einem Entkopplungselement ist in diesem Zusammenhang ein Element zu verstehen, welches über die Energiedissipation hinaus eine Entkopplung des Hohlrades von dem Gehäuse ermöglicht.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sind weitere Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Planetengetriebes möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Entkopplungselement als Wellfeder ausgebildet ist. Durch eine Wellfeder kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Schwingungsentkopplung zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse des Planetengetriebes realisiert werden. Damit die Wellfedern formschlüssig ein Drehmoment übertragen können und damit das Hohlrad eindeutig im Gehäuse zentriert ist, sind sowohl an dem Hohlrad als auch an dem Gehäuse Ausnehmungen vorgesehen, welche die Wellenberge der Wellfedern teilweise umgreifen. Die elastische Nachgiebigkeit der Lagerung kann dabei vorzugsweise über die freien Abschnitte der Wellfeder und den Wellfederquerschnitt eingestellt werden. Nachgiebigkeit und Dämpfung können ferner über die Formgebung der Wellen der Wellfedern und der Ausnehmungen im Gehäuse beeinflusst werden. Ferner kann die Federsteifigkeit durch eine Schichtung von mehreren Wellfedern zu einem Wellfederpaket vorteilhaft beeinflusst werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Entkopplungselement an einer axialen Stirnfläche des Hohlrades angeordnet ist. Um eine möglichst einfache Lagerung des Hohlrades in dem Gehäuse zu ermöglichen, sind die Entkopplungselemente an den axialen Stirnseiten des Hohlrades angeordnet. Dadurch ist in axialer Richtung eine Kraftübertragung auf das Gehäuse möglich, wobei die durch das Abrollen der Planetenräder in dem Hohlrad auftretenden Laufgeräusche jedoch effektiv gedämpft werden können und somit eine Entkopplung der Schwingungen möglich ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Entkopplungselement in axialer Richtung vorgespannt ist. Durch eine entsprechende Vorspannung der Entkopplungselemente ist es möglich, das Hohlrad in dem Gehäuse zu lagern. Dadurch kann verhindert werden, dass die Entkopplungselemente aus den Ausnehmungen des Hohlrades und/oder des Gehäuses rutschen und sich unerwünscht verschieben. Zudem führt die schwimmende Lagerung des Hohlrades zu einer elastischen Zentrierung und somit zu einer besseren Lastaufteilung auf die Planetenräder, da das Hohlrad eine begrenzte Verschiebbarkeit erhält, und somit Lastspitzen abgefangen werden können. Dadurch erhöht sich die Dauerhaltbarkeit des Planetengetriebes.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Planetengetriebes ist vorgesehen, dass an dem Hohlrad eine Nut oder ein Absatz vorgesehen ist, welcher die Breite des Hohlrades reduziert. Durch einen Absatz oder eine entsprechende Nut in einer axialen Stirnfläche des Hohlrades ist es möglich, die Breite des Hohlrades in diesem Bereich zu reduzieren, sodass zusätzlicher Bauraum für die Entkopplungselemente geschaffen werden kann. Somit benötigt ein erfindungsgemäßes Planetengetriebe nicht mehr axialen Bauraum als ein Planetengetriebe, bei dem das Hohlrad starr in dem Gehäuse des Planetengetriebes fixiert ist. Unter Umständen kann jedoch der Bauraumbedarf in radialer Richtung geringfügig steigen, weil das Hohlrad mit einer größeren Materialstärke und somit dicker ausgeführt werden muss, um die Kräfte und Momente aufzunehmen.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn an dem Hohlrad beidseitig jeweils eine Nut oder ein Absatz vorgesehen sind, welche die Breite des Hohlrades reduziert. Durch zwei Absätze oder zwei Nuten kann auf beiden Seiten entsprechend Bauraum eingespart werden, um den Bauraumbedarf für die Entkopplungselemente zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse zu schaffen. Dadurch können in beide axiale Richtungen Kräfte und Momente elastisch aufgenommen werden, ohne dass das Hohlrad gegen das Gehäuse schlägt und somit die Gefahr einer Beschädigung oder eines erhöhten Verschleißes auftritt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Planetengetriebes ist vorgesehen, dass das Entkopplungselement im Wesentlichen inkompressibel ist. Das Entkopplungselement ist vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt und lässt bis auf eine elastische Deformation gemäß dem E-Modul des Werkstoffs keine weitere Kompression zu. Das Entkopplungselement enthält vorzugsweise keine Gasfeder, kein Elastomer oder sonstige Bauteile, welche bereits bei geringen Kräften eine deutliche Volumenänderung aufweisen, um ein Anschlagen des Hohlrades an dem Gehäuse zu vermeiden. Dabei sind Elastomere wenig geeignet, da sie sich unter Last nichtlinear verformen, ein Setzverhalten aufweisen und einer spürbaren Alterung unterliegen. Eine Gasfeder ist wenig geeignet, da die Gefahr von Undichtigkeit über die hohe Betriebsdauer eines Planetengetriebes besteht und sie keine Schubspannungen übertragen kann, wodurch sie ungeeignet ist, die bei Planetengetrieben auftretenden hohen Drehmomente abzustützen. Ziel der Entkopplungselemente ist vornehmlich eine Schwingungsisolation des Hohlrades und nicht eine Dämpfung im Sinne einer Energiedissipation. Eine Energiedissipation, insbesondere durch eine Schichtung von Wellfedern, kann jedoch den erwünschten Effekt der Schwingungsisolation auf positive Art und Weise unterstützen.
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Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass zwischen einer radialen Mantelfläche des Hohlrades und dem Gehäuse ein Spalt ausgebildet ist. Durch einen Spalt in radialer Richtung zwischen einer radialen Mantelfläche des Hohlrades und dem Gehäuse wird eine Schwingungsübertragung über diese radiale Mantelfläche unterbunden. Sämtliche vom Hohlrad auf das Gehäuse übertragene Kräfte und Momente werden also über die Entkopplungselemente geleitet, woraus sich die Notwendigkeit einer hohen Festigkeit dieser Entkopplungselemente ergibt. Die Entkopplungselemente greifen nicht um das Hohlrad um und sind auch nicht im Wesentlichen zylindrisch, sondern bevorzugt ring-, platten- oder tellerförmig.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Entkopplungselement zwischen einer radialen Mantelfläche des Hohlrades und dem Gehäuse angeordnet ist. Alternativ zu Entkopplungselementen, welche an den axialen Stirnflächen des Hohlrades angeordnet sind, ist insbesondere bei kleinen Lasten und kleinen zu übertragenden Kräften und Momenten zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse denkbar, dass das Hohlrad an seiner radialen Mantelfläche ein entsprechendes Entkopplungselement aufweist. Dabei ist das Hohlrad vorzugsweise in axialer Richtung durch entsprechende Spalte von dem Gehäuse entkoppelt, sodass sämtliche Kräfte und Momente durch das Entkopplungselement geleitet werden. Aufgrund der auftretenden Axialkräfte und Schermomente ist eine solche Lösung jedoch in der Regel ungünstiger als eine Dämpfung über die axialen Stirnflächen. Sie bietet sich jedoch insbesondere dann an, wenn in axialer Richtung kein Bauraum vorhanden ist und/oder eine Beweglichkeit des Hohlrades insbesondere in radialer Richtung ermöglicht werden soll. Dabei sind vorzugsweise mehrere, gleichmäßig über den Umfang des Hohlrades verteilte Entkopplungselemente vorgesehen, welche eine radiale Vorspannung der Entkopplungselemente zwischen dem Gehäuse und der radialen Stirnfläche des Hohlrades ermöglichen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes, bei dem zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse ein schwingungsdämpfendes Entkopplungselement angeordnet ist;
- 2 eine vergrößerte Detaildarstellung des radialen Endabschnittes des Hohlrades eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes;
- 3 einen Ausschnitt eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes.
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1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Planetengetriebe 1. Das Planetengetriebe 1 weist ein Gehäuse 5 auf, in dem ein Hohlrad 4 drehfest gelagert ist. Das Hohlrad 4 weist an einem radial äußeren Endabschnitt einen Steg 25 auf, welcher die Breite B des Hohlrades 4 jeweils verringert. Somit ist in diesem radial äußeren Endabschnitt des Hohlrades 4 jeweils ein in 2 dargestellter Absatz 14 ausgebildet. An den axialen Stirnflächen 10, 11 des Hohlrades 4 sind im Bereich des Stegs 25 beidseitig Entkopplungselemente 8, 9 angeordnet, mit welchen das Hohlrad 4 in dem Gehäuse 5 gehalten wird. Dazu werden die Entkopplungselemente 8, 9 durch ein Spannelement 17 in axialer Richtung vorgespannt. Die Vorspannung der Entkopplungselemente 8, 9 kann über ein Passungsübermaß der Entkopplungselemente 8, 9 eingestellt werden. Alternativ kann die Vorspannung über eine Schraube 18 eingestellt werden. In radialer Richtung ergibt sich zwischen einer radialen Mantelfläche 15 des Hohlrades 4 und dem Gehäuse 5 ein Spalt 16, sodass in diesem Bereich keine Schwingungen von dem Hohlrad 4 auf das Gehäuse 5 übertragen werden. Das Hohlrad 4 steht mit einer in 2 dargestellten Verzahnung 24 in Eingriff mit mindestens einem Planetenrad 3, welches von einem Planetenträger 19 getragen wird. An dem Gehäuse 5 ist eine erste Gehäuseöffnung 21 vorgesehen, um den Planetenträger 19 mit einer Antriebs- oder Abtriebswelle zu verbinden. Das Planetenrad 3 steht mit einem Sonnenrad 2 in Eingriff, welches mit einer Antriebs- oder Abtriebswelle 20 verbunden ist. Die Antriebs- oder Abtriebswelle 20 durchdringt das Gehäuse 5 durch einen zweite Gehäuseöffnung 22, welche der ersten Gehäuseöffnung 21 gegenüberliegt. Das Hohlrad 4, das Sonnenrad 2 und der Planetenträger 19 sind konzentrisch zu einer Mittelachse 23 des Planetengetriebes 1 angeordnet. Alternativ kann das Gehäuse 5 auch an der zweiten Stirnseite geschlossen sein und die Antriebswelle 20 auf der gleichen Gehäuseseite wie eine mit dem Planetenträger 19 verbundene Hohlwelle aus dem Gehäuse 5 austreten.
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In 2 ist ein radialer Abschnitt des Hohlrades 4 dargestellt. Das Hohlrad 4 weist im Bereich des Steges 25 zwei gegenüberliegende Ausnehmungen 6 auf, in welchen die Entkopplungselemente 8, 9, welche vorzugsweise als Wellfedern 12 ausgeführt sind, formschlüssig aufgenommen sind. Dabei ist an dem in 1 dargestellten Gehäuse 5 und an dem Spannelement 17 jeweils eine weitere Ausnehmung 7 ausgebildet, um das jeweilige Entkopplungselement 8, 9 formschlüssig aufzunehmen. Dadurch wird eine Übertragung von Umfangskräften von dem Hohlrad 4 auf das Gehäuse 5 ohne die Gefahr eines Verschiebens des jeweiligen Entkopplungselements 8, 9 möglich. Die Entkopplungselemente 8, 9 liegen dabei vorzugsweise in radialer Richtung nicht an. Die Zentrierung des Hohlrades 4 erfolgt vorzugsweise ausschließlich durch tangentialen Formschluss. Das Hohlrad 4 weist auf seiner dem Steg 25 abgewandten Seite eine Verzahnung 24 auf, in welche die Planetenräder 3 des Planetengetriebes 1 eingreifen können und auf der diese Planetenräder 3 abrollen.
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In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes 1 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, weist das Hohlrad 4 in dieser Ausführungsform keinen Steg 25 und zwei Absätze 14 auf, sondern an den beiden axialen Stirnflächen 10, 11 jeweils eine Nut 13, in der das jeweilige Entkopplungselement 8, 9 aufgenommen ist. Dabei ist die Nut 13 nur so tief, dass das Entkopplungselement 8, 9 auch bei maximaler Verformung über die jeweilige axiale Stirnfläche 10, 11 des Hohlrades 4 vorsteht. An dem Nutgrund der Nuten 13 sind zusätzliche Ausnehmungen 6 ausgebildet, um die Entkopplungselemente 8, 9 formschlüssig aufzunehmen. An dem Gehäuse 5 und an dem Spannelement 17 sind ebenfalls Ausnehmungen 7 vorgesehen, um das Entkopplungselement 8, 9 formschlüssig aufzunehmen und somit eine Übertragung von tangentialen Kräften zu ermöglichen.
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Im Betrieb des Planetengetriebes 1 entstehen durch das Abrollen der Zahnräder 2, 3, 4, insbesondere durch das Abrollen der Planetenräder 3 auf dem Hohlrad 4 Schwingungen, welche zu einer Geräuschentwicklung des Planetengetriebes 1 führen. Um eine Übertragung der Schwingungen auf das Gehäuse 5 zu reduzieren und damit die nach außen dringenden Geräusche des Planetengetriebes 1 zu reduzieren, können diese Schwingungen durch eine elastische Verformung der Entkopplungselemente 8, 9 reduziert werden. Dabei kann sich das Hohlrad 4 in axialer Richtung (und begrenzt auch in radialer Richtung) verschieben, wodurch auch durch Bauteiltoleranzen und Montagetoleranzen auftretende Konzentrizitätsfehler und Rundlauffehler ausgeglichen werden können, wodurch die mechanische Bauteilbelastung des Hohlrades 4 und der Planetenräder 3 ebenfalls reduziert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Planetengetriebe
- 2
- Sonnenrad
- 3
- Planetenrad
- 4
- Hohlrad
- 5
- Gehäuse
- 6
- Ausnehmung
- 7
- Ausnehmung
- 8
- erstes Entkopplungselement
- 9
- zweites Entkopplungselement
- 10
- erste axiale Stirnfläche
- 11
- zweite axiale Stirnfläche
- 12
- Wellfeder
- 13
- Nut
- 14
- Absatz
- 15
- radiale Mantelfläche
- 16
- Spalt
- 17
- Spannelement
- 18
- Schraube
- 19
- Planetenträger
- 20
- Abtriebswelle
- 21
- erste Gehäuseöffnung
- 22
- zweite Gehäuseöffnung
- 23
- Mittelachse
- 24
- Verzahnung
- 25
- Steg
- B
- Breite des Hohlrades
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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