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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellenanordnung, umfassend ein Gehäuse und eine in dem Gehäuse drehbar gelagerte Hohlwelle mit einem offenen Hohlwellenende, das axial benachbart zu einem Ölstauraum des Gehäuses angeordnet ist, der wellenseitig durch eine gehäusefeste Grenzwand begrenzt ist,
wobei die Grenzwand wellenseitig einen durch das offene Hohlwellenende in den Hohlwelleninnenraum hinein erstreckten Schraubenkörper trägt, dessen Gewindeflanken zusammen mit der Hohlwelleninnenwand einen spiraligen Ölförderraum bilden, der über einen Wanddurchbruch in der Grenzwand mit dem Ölstauraum in Verbindung steht.
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Eine derartige Wellenanordnung ist bekannt aus der
JP 2002310271 A . Diese Druckschrift offenbart eine Wellenanordnung innerhalb eines Kraftfahrzeug-Getriebes. Es ist dies ein Einsatzgebiet, das auch für die vorliegende Erfindung primär infrage kommt.
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Bei der bekannten Vorrichtung ist eine einseitig offene Hohlwelle drehbar in einem Gehäuse gelagert, wobei eines ihrer Lager im Bereich des offenen Hohlwellenendes angeordnet ist. Der Hohlwelleninnenraum steht mit radialen Ölkanälen in Verbindung, die radial außen in Nadellagern münden, mittels welcher auf der Hohlwelle angeordnete Schalträder gelagert sind. Um diese Ölkanäle hinreichend mit Öl zu beschicken, muss Öl in die Hohlwelle geleitet werden. Hierzu ist benachbart zum offenen Hohlwellenende im Gehäuse ein Ölstauraum vorgesehen, in dem sich Öl aus unterschiedlichen Quellen sammelt und aus dem heraus es in die Hohlwelle überläuft. Das Überlaufniveau wird durch die Anordnung eines Wanddurchbruchs in einer wellenseitigen Grenzwand des Ölstauraums bestimmt. Allerdings erzeugt das Hohlwellenlager bei schneller Rotation der Hohlwelle eine nicht unerhebliche Saugwirkung, sodass die Gefahr besteht, dass Öl aus dem Inneren der Hohlwelle durch deren offenes Ende in das Lager gesaugt wird. Um dies zu verhindern, schlägt die genannte Druckschrift einen Dichtungsmechanismus in Form eines hohlen Schraubenkörpers vor, der fest an der Grenzwand angeordnet ist und sich in den Hohlwelleninnenraum hinein erstreckt. Sein hohles Inneres bildet einen Ölkanal, durch welchen das Öl beim Überlauf von dem Ölstauraum in den Hohlwelleninnenraum strömt. Seine Gewindeflanken, deren Gewindeschneiden mit minimalem Spalt an die Hohlwelleninnenwand grenzen, bilden gemeinsam mit der Hohlwelleninnenwand eine der Anzahl von Gewindegängen entsprechende Mehrzahl von spiraligen Ölförderräumen. Die Saugwirkung des Lagers wirkt nun nicht mehr direkt auf den Hohlwelleninnenraum, sondern nur indirekt über die Ölförderräume. Zudem ergibt sich bei Rotation der Hohlwelle relativ zu dem gehäusefesten Schraubenkörper eine der Saugwirkung des Lagers entgegengesetzte Förderwirkung nach dem Prinzip der archimedischen Schraube (mit feststehender Schraube und rotierender Wandung). Auf diese Weise wird Öl, welches beispielsweise im Stillstand des Kraftfahrzeugs aus dem Ölförderraum über den Umweg durch den hohlen Schraubenkörper und den Hohlwelleninnenraum in die Ölförderräume gelangt ist, beim Anlaufen des Getriebes wieder herausbefördert und es wird ein weiteres Eindringen von Öl in den Ölförderraum verhindert. Das Lager ist auf diese Weise gegen den Hohlwelleninnenraum abgedichtet.
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Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist jedoch, dass der Ölfluss in den Hohlwelleninnenraum rein passiv durch Überlauf erfolgt, sodass insbesondere in Grenzsituationen, beispielsweise beim Fahren am Hang oder bei schneller Kurvenfahrt, die ausreichende Beschickung der radialen Ölkanäle nicht unter allen Umständen gewährleistet werden kann.
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Aus der
US 4,644,815 A ist ein ähnliches System bekannt, bei dem jedoch statt eines hohlen Schraubenkörpers ein einfacher Hohlzylinder Anwendung findet, dessen Außenwand mit Innengewindeflanken an der Hohlwelleninnenwand den Ölförderraum bildet.
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Aus der
EP 1 538 369 B1 ist ein System bekannt, bei dem das Öl aus dem Ölstauraum in die Hohlwelle hinein beschleunigt wird. Hierzu wird der radial innere Bereich der Grenzwand durch den Flansch eines Hohlstopfens gebildet, der dichtend in den Hohlwelleninnraum hineinragt und mit der Hohlwelle mitdreht. Die Vorderwand und die Rückwand des Ölstauraums rotieren also bei Betrieb gegeneinander. Eine dieser Wandungen weist dabei sichelförmig geschwungene Ölleitstrukturen auf, durch welche das Öl bei Rotation der Hohlwelle im Ölstauraum nach radial innen beschleunigt und durch einen im Rotationszentrum angeordneten Umlenkkegel in den Zentralkanal des Hohlstopfens und über diesen in den Hohlwelleninnenraum hinein beschleunigt wird. Nachteilig dabei ist, dass die (rotierende) Grenzwand nicht zur Abdichtung des Hohlwellenlagers gegen den Ölstauraum genutzt werden kann. Es bedarf also einer gesonderten Lagerabdichtung um ein Ansaugen von Öl direkt aus dem Ölstauraum in das Hohlwellenlager zu vermeiden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Wellenanordnung derart weiterzubilden, dass ein beschleunigter Ölstrom vom Ölstauraum in den Hohlwelleninnenraum erzeugbar ist.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Wanddurchbruch eine direkte Verbindung zwischen dem Ölstauraum und dem grenzwandseitigen Ende des Ölförderraums darstellt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Im Gegensatz zum gattungsbildenden Stand der Technik wird das Öl bei der erfindungsgemäßen Wellenanordnung also vom Ölstauraum über den Ölförderraum in den Hohlwelleninnenraum geleitet. Die Ölförderung im Ölförderraum erfolgt nach demselben Prinzip der archimedischen Schraube (mit feststehender Schraube und rotierender Wandung). Allerdings dient dies bei der Erfindung nicht allein der Lagerabdichtung. Vielmehr dient der Ölförderraum als der primäre und vorzugsweise (zusammen mit evtl. weiteren Ölförderräumen) einzige Ölleitkanal zwischen dem Ölstauraum und dem Hohlwelleninnenraum. Hierzu bildet der Wanddurchbruch der Grenzwand eine direkte Verbindung zwischen dem Ölstauraum und dem Ölförderraum, nämlich insbesondere dessen grenzwandseitigem Ende. Die Verbindung erfolgt also nicht auf dem „Umweg“ über das grenzwandabgewandte Ende des Ölförderraums. Mit anderen Worten muss Öl, um vom Ölstauraum in den Ölförderraum zu gelangen, nicht erst den Hohlwelleninnenraum und sodann das grenzwandabgewandte Ende des Ölförderraums passieren. Vielmehr sind der Wandungsdurchbruch und das grenzwandseitige Ende des axial beidseitig offenen Ölförderraums einander benachbart und in unmittelbarer strömungstechnischer Verbindung zueinander angeordnet.
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Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass Öl, selbst wenn es in fahrtechnischen Extremsituationen nur in geringen Mengen durch Überlauf in den Ölförderraum gelangt, weit in den Hohlwelleninnenraum hinein beschleunigt wird und so auch eingangsferne Radialkanäle erreichen kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Grenzwand ringscheibenförmig ausgebildet. Dabei kann der Scheibenring der Grenzwand axial zwischen einem Wandelement des Ölstauraums und einer Lager-Außenschale eines endständig angeordneten Wellenlagers geklemmt sein. Hierdurch wird gleichzeitig die Fixierung der Grenzwand und die Abdichtung des Lagers gegen den Ölstauraum erreicht. Insbesondere in Fällen, in denen ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Gehäusematerial im Bereich des Ölstauraums und dem Material der äußeren Lagerschale nicht erwünscht ist, kann der Scheibenring der Grenzwand als ein den unmittelbaren Kontakt unterbindendes Zwischenelement dienen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Scheibenring dabei einen äußeren Klemmrand auf, gegen den ein innerer Zentralbereich nach ölstauraumseitig versetzt ist. Hierdurch wird ein Schleifen der inneren Lagerschale an der Grenzwand vermieden. Zugleich kann jedoch der Durchmesser des Wanddurchbruchs und damit die maximale Stauhöhe des Öls im Ölstauraum nahezu beliebig gestaltet werden.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wanddurchbruch als ein sich nach wellenseitig erstreckter Rohrstutzen geformt ist. Hierdurch wird die Abschirmung des Lagers gegen den Ölstrom nochmals verbessert. Der Rohrstutzen kann dabei geringfügig bis in den Hohlwelleninnenraum hineinragen.
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Der Schraubenkörper weist bevorzugt ein mehrgängiges Gewinde auf, sodass sich mehrere Ölförderräume ergeben, die über unterschiedliche Segmente des Wanddurchbruchs mit dem Ölstauraum verbunden sind. Insbesondere entspricht die Anzahl der Ölförderräume der Anzahl der Gewindegänge. Die einzelnen Ölförderräume sind bei dieser Ausführungsform schmaler als ein einziger Ölförderraum im Fall eines eingängigen Gewindes. Die dadurch vermehrte Wechselwirkung zwischen Öl und Gewindeflanken führt zu einer stärkeren Beschleunigung des Ölstroms in den Hohlwelleninnenraum hinein.
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Schraubenkörper und Grenzwand können einstückig ausgebildet sein. Fertigungstechnisch ist es jedoch günstiger, wenn der Schraubenkörper und die Grenzwand als ein aus mehreren Bauteilen gefügtes Modul gestaltet sind. Dabei können, wie bevorzugt vorgesehen, die Materialien von Schraubenkörper und Grenzwand unterschiedlich und für die jeweilige, konkrete Aufgabe optimiert sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenanordnung,
- 2 eine Draufsicht auf eine Baueinheit der Wellenanordnung von 1, bestehend aus Grenzwand und Schraubenkörper,
- 3 eine perspektivische Ansicht der Baueinheit von 2,
- 4 eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenanordnung,
- 5 eine Draufsicht auf eine Baueinheit der Wellenanordnung von 4, bestehend aus Grenzwand und Schraubenkörper sowie
- 6 eine perspektivische Ansicht der Baueinheit von 5.
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Wellenanordnung 10 in einer ersten Ausführungsform. Die Wellenanordnung 10 umfasst insbesondere ein Gehäuse 12, in dem eine Hohlwelle 14 mittels eines Lagers 16 gelagert ist. Das Gehäuse 12 kann beispielsweise das Gehäuse eines Kraftfahrzeuggetriebes sein. Die Hohlwelle 14 kann eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle oder eine beliebige Zwischenwelle eines solchen Fahrzeuggetriebes sein. Selbstverständlich kann die Wellenanordnung 10 auch in anderem technischen Kontext Anwendung finden. Die Hohlwelle 14 ist im Bereich ihres offenen Endes (links in 1) mittels das Lagers 16 drehbar gelagert. Benachbart zum offenen Hohlwellenende ist eine Ölstauraum 18 im Gehäuse ausgebildet. Der Ölstauraum 18 verfügt über in 1 nicht dargestellte Kanäle zur Zuleitung von Öl, ggf. aus unterschiedlichen Quellen. Beim Betrieb der Wellenanordnung 10, d.h. bei Rotation der Hohlwelle 14, soll Öl aus dem Ölstauraum 18 in den Hohlwelleninnenraum 141, welcher durch die Hohlwelleninnenwand 142 begrenzt ist, gefördert werden. Dies kann beispielsweise zu dem Zweck erfolgen, in 1 nicht dargestellte, radiale Ölkanäle in der Hohlwelle 14 zur Schmierung von ebenfalls nicht dargestellten, auf der Hohlwelle 14 angeordneten Nadallagern zu beschicken. Zugleich soll vermieden werden, dass Öl aus dem Ölstauraum 18 und/oder dem Hohlwelleninnenraum 141 zum Lager 16 gesaugt wird, welches bei Rotation eine nicht unerhebliche Saugwirkung erzeugt.
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Hierzu ist zwischen dem offenen Ende der Hohlwelle 14 und dem Ölstauraum 18 eine diesen begrenzende Grenzwand 20 angeordnet. Die Grenzwand 20 ist in den 2 und 3 in größerem Detail dargestellt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist sie ringscheibenartig ausgebildet mit einem Scheibenring 201 und einem zentralen Wanddurchbruch 202, der bei der gezeigten Ausführungsform von speichenartigen Streben 203 überspannt wird. Der Scheibenring 201 ist an die äußere Lagerschale 161 des Lagers 16 gefügt. Er verhindert einen unmittelbaren Zustrom vom Ölstauraum 18 zum Lager 16. Stattdessen fließt Öl, sobald im Ölstauraum ein die Höhe des Scheibenrings 201 übersteigender Pegel erreicht ist, in das offene Ende der Hohlwelle 14, mithin in deren Hohlwelleninnenraum 141.
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Um den Ölstrom in den Hohlwelleninnenraum 141 hinein zu beschleunigen trägt die Grenzwand 20 im Bereich des Treffpunktes ihrer Speichen 203 einen Schraubenkörper 22, der sich in den Hohlwelleninnenraum 141 hinein erstreckt. Bei der gezeigten Ausführungsform besteht der Schraubenkörper aus einem zentralen Dorn 221, um den sich Gewindeflanken 222 zu einem dreigängigen Gewinde winden. Die Gewindeschneiden 223 liegen dabei bis auf einen minimalen Spalt an der Hohlwelleninnenwand 142 an. Ein reibschlüssiger Kontakt sollte vermieden werden. Andererseits sollte der Spalt hinreichend klein sein, sodass ein die Hohlwelleninnenwand 142 benetzender Ölfilm bei Relativrotation von Hohlwelle 14 und Schraubenkörper 22 von der Hohlwelleninnenwand 142 abgeschabt wird. Dies führt bei Betrieb der Wellenanordnung 10, d.h. wenn sich die Hohlwelle 14 um den gehäusefesten Schraubenkörper 22 dreht, zu einer axialen Förderung von Öl nach dem Prinzip der archimedischen Schraube. Die von der Hohlwelleninnenwand 142 und den Gewindeflanken 222 gebildeten Räume werden daher hier als Ölförderräume 24 bezeichnet. Bei der gezeigten Ausführungsform sind drei spiralige Ölförderräume 24 realisiert.
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Diese stehen über den Wanddurchbruch 202 in der Grenzwand 20 in direktem Strömungskontakt mit dem Ölstauraum 18. Das durch Überlauf über den Scheibenring 201 aus dem Ölstauraum 18 austretende Öl gelangt also unverzüglich in die Ölförderräume 24 und wird in axialer Richtung in den Hohlwelleninnenraum 141 hin beschleunigt. Diese Beschleunigung wirkt zum einen dem Saugeffekt des Lagers 16 entgegen. Zum anderen sorgt sie dafür, dass auch bei geringem Ölnachschub aus dem Ölstauraum 18, z.B. im Fall eines Fahrzeugsgetriebes bei extremen Fahrsituationen wie schnelle Kurvenfahrt oder Fahrten am Hang, Öl bis weit in den Hohlwelleninnenraum 141 gefördert wird, um evtl. dort angeordnete, radiale Ölkanäle zu beschicken.
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Bezüglich der in den 4 bis 6 dargestellten Ausführungsform kann weitestgehend auf die Beschreibung zu den 1 bis 3 verwiesen werden, wobei jedoch die nachfolgend erläuterten Unterschiede zu beachten sind. Die Ausführungsform der 4 bis 6 unterscheidet sich im Wesentlichen durch die Ausgestaltung der Grenzwand 20 von der Ausführungsform der 1 bis 3. Diese ist zwar auch als Ringscheibe ausgebildet, wobei der Scheibenring 201 jedoch eine deutlich größere Höhe aufweist, sodass der Wanddurchbruch 202 einen deutlich kleineren Durchmesser erhält. Dies führt zu einem höheren Staupegel im Ölstauraum 202. Dafür ist jedoch die Abdichtung des Lagers 16 verbessert.
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Hierzu sind noch zwei weitere Maßnahmen ergriffen worden. So weist der Scheibenring 201 einen äußeren Rand 201' auf, der gegenüber dem Zentralkörper des Scheibenrings 201 axial versetzt ist. Dieser Rand 201' klemmt, wie insbesondere in 4 erkennbar, zwischen der äußeren Lagerschale 161 und einem Absatz in der Wandung des Ölstauraums 18. Die Rückwärtsversetzung des Scheibenring-Zentralkörpers hiergegen ermöglicht dennoch eine freie Rotation des Lagers 16.
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Weiter ist der Wanddurchbruch 202 speziell als ein wellenseitig vorkragender Rohrstutzen 202' ausgebildet. Der Rohrstutzen 202' ragt dabei geringfügig in den Hohlwelleninnenraum 141 hinein und schirmt dadurch den Verbindungsspalt zum Lager 16 ab. Zudem dient er strömungsführend, sodass Öl aus dem Wanddurchbruch 202 noch unmittelbarer in die Ölförderräume 24 geleitet wird und sogar bereits im Ölstauraum 18 eine gewisse Saugwirkung in die Ölförderräume 24 hinein erfährt.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere kann die Gängezahl und die Steigung des Gewindes des Schraubenkörpers 22 variiert werden, um in Ansehung der bestimmungsgemäßen Drehzahlen der Welle 14 die erwünschte Förderleitung zu erzielen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wellenanordnung
- 12
- Gehäuse
- 14
- Hohlwelle
- 141
- Hohlwelleninnenraum
- 142
- Hohlwelleninnenwand
- 16
- Lager
- 161
- äußere Lagerschale
- 18
- Ölstauraum
- 20
- Grenzwand
- 201
- Scheibenring von 20
- 201'
- Rand von 201
- 202
- Wanddurchbruch
- 202'
- Rohrstutzen
- 203
- speichenartige Strebe
- 22
- Schraubenkörper
- 221
- Dorn
- 222
- Gewindeflanke
- 223
- Gewindeschneide
- 24
- Ölförderraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2002310271 A [0002]
- US 4644815 A [0005]
- EP 1538369 B1 [0006]
