DE102018111524A1

DE102018111524A1 - Verteilergetriebe mit schräge Fluidkanäle aufweisender Primärwelle

Info

Publication number: DE102018111524A1
Application number: DE102018111524.5A
Authority: DE
Inventors: Susan Stroope; Arun Narayanan; Yogesh Mehta
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2018-11-22
Also published as: US20180335124A1; US11512771B2

Abstract

Ein Verteilergetriebe umfasst eine Primärwelle, eine Sekundärwelle, die radial zur Primärwelle versetzt ist, und einen Drehmoment-Übertragungsmechanismus. Die Primärwelle enthält einen Zentralkanal und einen schrägen Fluidkanal. Der Drehmoment-Übertragungsmechanismus ist dafür ausgelegt, wahlweise Drehmoment von der Primärwelle auf die Sekundärwelle zu übertragen, und umfasst ein Primärkettenrad, das an die Primärwelle gekoppelt ist, um Drehmoment auf die Sekundärwelle zu übertragen. Der schräge Fluidkanal steht mit dem Primärkettenrad in Verbindung und weist einen Auslass auf, der das Primärkettenrad axial überschneidet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG(EN)
Diese Anmeldung beansprucht die Rechte und die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung (Provisional Application) mit der laufenden Nr. 62/507,411 , eingereicht am 17. Mai 2017, deren gesamter Inhalt hiermit durch die Bezugnahme mit eingeschlossen ist.
HINTERGRUND
Drehende Wellen in Fahrzeugantriebsstrangsystemen (z. B. Antriebswellen, Achsen, Riemenvorgelege, Verteilergetriebe, Antriebsbaugruppen usw.) sind, während sie das Drehmoment übertragen, wie etwa von einer Kraftmaschine zu den Rädern des Fahrzeugs, Torsionsbelastungen ausgesetzt. Bei bestimmten Anwendungen können solche drehenden Wellen auch Biegebelastungen ausgesetzt sein.
Beispielsweise können an einer Primärwelle eines Verteilergetriebes Biegebelastungen hervorgerufen werden, wenn wahlweise ein sekundärer Abtrieb bereitgestellt wird. Ein herkömmliches Verteilergetriebe 100 weist im Allgemeinen, wie in 1 gezeigt, eine Primärwelle 110 und einen Drehmoment-Übertragungsmechanismus 120, der wahlweise Drehmoment auf eine Sekundärwelle 130 überträgt, auf. Die Primärwelle 110 ist drehbar gelagert, mithilfe von Lagern 102, die axial voneinander beabstandet entlang der Primärwelle 110 angeordnet sind. In ähnlicher Weise wird die Sekundärwelle 130 mithilfe von Lagern 104 an einer Position gelagert, die bezüglich der Primärwelle 110 radial versetzt ist. Das Verteilergetriebe 100 kann zusätzliche Lager an anderen Orten aufweisen, um die Primärwelle 110 und die Sekundärwelle 130 an axialen Zwischenpositionen besser zu lagern.
Der Drehmoment-Übertragungsmechanismus 120 koppelt wahlweise die Primärwelle 110 drehbar mit der Sekundärwelle 130, um dazwischen Drehmoment zu übertragen. Im Allgemeinen weist der Drehmoment-Übertragungsmechanismus 120 eine Kupplung 122, ein Primärkettenrad 124, eine Kette 126 und ein Sekundärkettenrad 128 auf. Der Drehmoment-Übertragungsmechanismus 120 befindet sich an einer axialen Zwischenposition zwischen den Lagern 102 der Primärwelle 110 und zwischen den Lagern 104 der Sekundärwelle 130.
Das Primärkettenrad 124 umgibt die Primärwelle 110 und wird wahlweise mittels der Kupplung 122 daran gekoppelt, sodass es sich damit dreht. Das Sekundärkettenrad 128 umgibt die Sekundärwelle 130 und ist damit drehbar gekoppelt (z. B. über eine Keilwellenverbindung). Ferner ist das Sekundärkettenrad mittels der Kette 126 drehbar an das Primärkettenrad 124 gekoppelt, derart, dass sich das Sekundärkettenrad 128 unisono mit dem Primärkettenrad 124 dreht. Wenn die Primärwelle 110 gedreht wird (z. B. vom Abtrieb einer Kraftmaschine oder eines Getriebes) und die Kupplung 122 eingekuppelt (z. B. zusammengedrückt) ist, wird durch den Drehmoment-Übertragungsmechanismus 120 Drehmoment von der Primärwelle 110 auf die Sekundärwelle 130 übertragen.
Wie in 2 gezeigt, wird Drehmoment von der Primärwelle 110 auf die Sekundärwelle 130 übertragen, wenn die Primärwelle 110 in eine Richtung R gedreht wird und der Drehmoment-Übertragungsmechanismus 120 in Eingriff ist. Diese Drehmomentübertragung unterwirft die Primärwelle 110 und die Sekundärwelle 130 sowohl Torsions- als auch Biegebelastungen. Insbesondere (z. B. während die Sekundärwelle 130 die Vorderräder eines Fahrzeugs antreibt) wird durch die Torsionsbelastung T_S der Sekundärwelle 130 die Kette 126 zwischen dem Primärkettenrad 124 und dem Sekundärkettenrad 128 verspannt. Diese Kraft F_C wird vom Primärkettenrad 124 und vom Sekundärkettenrad 128 übertragen und wird seitlich (z.B. in Radialrichtung) auf die Primärwelle 110 und die Sekundärwelle 130 ausgeübt.
Wie in dem Freikörperbild von 3 gezeigt, wirken der auf die Primärwelle 110 ausgeübten Kraft F_C die Reaktionskräfte F_B' ,F_B" entgegen, die durch die Lager 102 in der entgegengesetzten seitlichen Richtung (z.B. radial) auf die Primärwelle 110 ausgeübt werden. Dadurch wird in der Primärwelle 110 ein Biegemoment hervorgerufen, das in dem Biegemomentdiagramm von 4 veranschaulicht ist. Der Maximal- oder Spitzenwert des Biegemoments tritt an der axialen Position des Primärkettenrades 124 auf der Primärwelle 110 (d. h. dort, wo die Kraft F_C auf die Primärwelle 110 ausgeübt wird) auf. Ein weiteres Biegemoment entsteht auf ähnliche Weise an der Sekundärwelle 130 in der Umgebung der Lager 104.
Wirken Biegebelastungen dieser Art über viele Zyklen, können sie eine Ermüdung der Primärwelle 110 und/oder der Sekundärwelle 130 zur Folge haben und schneller als Torsionsbelastungen zum Ausfall der Primärwelle 110 und/oder der Sekundärwelle 130 führen.
Wie in 1 außerdem gezeigt ist, können die Primärwelle 110 und die Sekundärwelle 130 dafür ausgelegt sein, Fluid (z. B. Öl) zu leiten und zu verteilen, um verschiedene Bauteile zu schmieren und/oder zu kühlen. Die Primärwelle 110 enthält eine zentrale Leitung 112 und einen oder mehrere perpendikuläre Fluidkanäle 114. Die zentrale Leitung 112 ist konzentrisch zur Primärwelle 110, während sich die perpendikulären Fluidkanäle 114 senkrecht zur Mittelachse der Primärwelle 110 erstrecken. Die zentrale Leitung 112 nimmt Fluid von einer Fluidquelle (nicht gezeigt) auf und leitet das Fluid radial nach außen, durch die perpendikulären Fluidkanäle 114, zu verschiedenen Bauteilen. Die perpendikulären Fluidkanäle 114 befinden sich in Bereichen, in denen verschiedene Bauteile miteinander koppeln, beispielsweise an der axialen Position der Kupplung 122 und/oder des Primärkettenrades 124. Die Sekundärwelle 130, wenngleich nicht gezeigt, kann ebenfalls perpendikuläre Fluidkanäle aufweisen.
Die perpendikulären Fluidkanäle 114 werden durch Entfernen von Material von der Primärwelle 110 gebildet, wodurch die Primärwelle 110 im Vergleich zu einer ähnlichen Welle ohne perpendikuläre Fluidkanäle 114 an Stabilität verlieren kann. Insbesondere nimmt durch dieses Entfernen oder Nichtvorhandensein von Material der Spannungskonzentrationsfaktor der Primärwelle 110 an den perpendikulären Fluidkanälen 114 sowohl bei Torsion als auch bei Biegung zu, was sowohl die Torsions- als auch die Biegedauerfestigkeit der Primärwelle 110 verringern kann.
KURZDARSTELLUNG
Unter einem Aspekt der Offenbarung ist ein Verteilergetriebe offenbart, das eine Primärwelle, eine Sekundärwelle und einen Drehmoment-Übertragungsmechanismus aufweist. Die Primärwelle enthält einen Zentralkanal und einen schrägen oder unter einem Winkel angeordneten Fluidkanal, der sich quer zum Zentralkanal erstreckt. Der schräge Fluidkanal steht mit dem Zentralkanal in fluidischer Verbindung. Der Drehmoment-Übertragungsmechanismus ist dafür ausgelegt, wahlweise Drehmoment von der Primärwelle auf die Sekundärwelle zu übertragen, und umfasst ein Primärkettenrad, das an die Primärwelle gekoppelt ist. Der schräge Fluidkanal steht mit dem Primärkettenrad in Verbindung. Ein Auslass des schrägen Fluidkanals kann das Primärkettenrad in Achsenrichtung überschneiden. Der Drehmoment-Übertragungsmechanismus kann eine an das Primärkettenrad angrenzende Kupplung aufweisen, die derart betriebsfähig ist, dass Drehmoment von der Primärwelle wahlweise auf die Sekundärwelle übertragen wird, und die Primärwelle kann einen weiteren Fluidkanal aufweisen, der mit der Kupplung in Verbindung steht.
Unter einem anderen Aspekt der Offenbarung ist ein Verteilergetriebe offenbart, das eine Primärwelle, eine Sekundärwelle und einen Drehmoment-Übertragungsmechanismus aufweist. Der Drehmoment-Übertragungsmechanismus ist dafür ausgelegt, Drehmoment von der Primärwelle auf die Sekundärwelle zu übertragen, und umfasst ein Primärkettenrad auf, das um die Primärwelle herum angeordnet ist. Die Primärwelle enthält eine schräge Fluidleitung, die mit dem Primärkettenrad in Verbindung steht und unter einem Winkel in Bezug auf die Mittellängsachse der Primärwelle orientiert ist. In bestimmten Ausführungsformen kann sich die schräge Fluidleitung unter einem Winkel, der größer als 20 Grad ist, in Bezug auf eine Ebene erstrecken, die senkrecht zur Mittellängsachse der Primärwelle ist. Bei bestimmten Ausführungsformen kann ein Auslass der schrägen Fluidleitung das Primärkettenrad axial überschneiden.
Unter einem anderen Aspekt der Offenbarung ist eine Antriebsbaugruppe offenbart, die eine Welle zur Übertragung von Drehmoment und Verteilung von Fluid aufweist. Die Welle enthält eine schräge Fluidleitung in einem Bereich der Welle, in dem ein Spitzenwert der Biegebelastung auftritt. Durch den schrägen Fluidkanal kann eine Ebene verlaufen, die im Bereich (z. B. am Ort) eines Spitzenwerts der Biegebelastung senkrecht zur Welle ist. Die Ebene kann durch einen Auslass, nicht jedoch durch einen Einlass des schrägen Fluidkanals verlaufen.
Unter einem anderen Aspekt der Offenbarung ist ein Verteilergetriebe offenbart, das eine Primärwelle, eine Sekundärwelle und einen Drehmoment-Übertragungsmechanismus aufweist. Die Primärwelle enthält einen Zentralkanal, der sich entlang einer ersten Achse erstreckt, und einen Fluidkanal, der sich entlang einer zweiten Achse, quer zur ersten Achse, erstreckt. Der Drehmoment-Übertragungsmechanismus ist dafür ausgelegt, Drehmoment zu übertragen, zum Beispiel wahlweise von der Primärwelle auf Sekundärwelle, und umfasst ein Kettenrad, das an die Primärwelle gekoppelt und konzentrisch zu dieser ist. Die Sekundärwelle kann radial von der Primärwelle beabstandet sein.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Fluidkanal einen Auslass definieren, der in axialer Übereinstimmung mit dem Kettenrad angeordnet ist.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Kettenrad entgegengesetzte Enden definieren, die axial voneinander beabstandet entlang der Primärwelle angeordnet sind. Bei solchen Ausführungsformen kann der Auslass, der durch den Fluidkanal definiert wird, zwischen den entgegengesetzten Enden des Kettenrades angeordnet sein. Beispielsweise kann der Auslass zwischen und ungefähr gleich weit entfernt von den entgegengesetzten Enden des Kettenrades angeordnet sein.
Die zweite Achse erstreckt sich unter einem spitzen Schrägneigungswinkel relativ zu einer Ebene, die senkrecht zur ersten Achse ist. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der spitze Schrägneigungswinkel größer als ungefähr 20 Grad sein. Beispielsweise kann der Schrägneigungswinkel zwischen ungefähr 40 Grad und ungefähr 50 Grad sein. Bei einer besonderen Ausführungsform kann der Schrägneigungswinkel ungefähr 45 Grad sein.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Primärwelle einen ersten Fluidkanal und einen zweiten Fluidkanal aufweisen. Bei solchen Ausführungsformen können der erste und zweite Fluidkanal gleiche Schrägneigungswinkel definieren.
Bei bestimmten Ausführungsformen können der erste und zweite Fluidkanal in Bezug auf die erste Achse einander diametral gegenüberliegend angeordnet sein.
Unter einem weiteren Aspekt der Offenbarung ist ein Verteilergetriebe offenbart, das eine Abtriebswelle und einen Drehmoment-Übertragungsmechanismus im mechanischen Zusammenwirken mit der Abtriebswelle aufweist. Die Abtriebswelle definiert eine Mittellängsachse und enthält eine Fluidleitung, die einen Auslass hat und sich unter einem spitzen Schrägneigungswinkel in Bezug auf eine Ebene erstreckt, die senkrecht zur Mittellängsachse ist. Der Drehmoment-Übertragungsmechanismus weist ein Kettenrad auf, das eine erste und zweite Seitenfläche definiert, die einander gegenüberliegen und axial voneinander beabstandet entlang der Mittellängsachse angeordnet sind. Die Abtriebswelle wird von einem ersten Lager und einem zweiten Lager gelagert, die auf gegenüberliegenden Seiten des Kettenrades angeordnet sind.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Schrägneigungswinkel größer als ungefähr 20 Grad sein. Beispielsweise kann der Schrägneigungswinkel zwischen ungefähr 40 Grad und ungefähr 50 Grad sein.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Auslass der Fluidleitung zwischen dem ersten und zweiten Lager angeordnet sein.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Auslass der Fluidleitung zwischen der ersten und zweiten Seitenfläche des Kettenrades angeordnet sein. Beispielsweise kann der Auslass zwischen und ungefähr gleich weit entfernt von der ersten und zweiten Seitenfläche des Kettenrades angeordnet sein.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Abtriebswelle eine erste Fluidleitung enthalten, die sich unter einem ersten spitzen Schrägneigungswinkel in Bezug auf die Ebene erstreckt, und eine zweite Fluidleitung, die sich unter einem zweiten spitzen Schrägneigungswinkel in Bezug auf die Ebene erstreckt. Bei solchen Ausführungsformen können der erste und zweite Schrägneigungswinkel gleich sein.
Bei bestimmten Ausführungsformen können die erste und zweite Fluidleitung in Bezug auf die Mittellängsachse einander diametral gegenüberliegend angeordnet sein.
Unter einem anderen Aspekt der Offenbarung ist eine Antriebsbaugruppe beschrieben, die eine Welle zur Übertragung von Drehmoment und Verteilung von Fluid aufweist. Im Bereich der höchsten Biegebelastung enthält die Welle einen schrägen oder unter einem Winkel angeordneten Fluidkanal, der einen Einlass und einen Auslass definiert, die axial voneinander beabstandet entlang der Welle angeordnet sind.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Welle derart ausgelegt und bemessen sein und der Fluidkanal kann derart angeordnet sein, dass eine Ebene, die sich im Bereich eines Spitzenwerts der Biegebelastung senkrecht zur Welle erstreckt, durch den schrägen Fluidkanal verläuft.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Welle derart ausgelegt und bemessen sein und der Fluidkanal kann derart angeordnet sein, dass die Ebene durch den Auslass des Fluidkanals, nicht jedoch durch den Einlass des Fluidkanals verläuft.
Figurenliste
Die hier vorliegende Beschreibung nimmt auf die beigefügte Zeichnung Bezug, wobei überall in den verschiedenen Figuren gleiche Bezugszeichen auf gleichartige Teile verweisen und wobei

1 eine Querschnittansicht eines herkömmlichen Verteilergetriebes ist;
2 eine Teilschnittansicht des Verteilergetriebes längs der Linie 2-2 in 1 ist;
3 ein Freikörperbild einer Primärwelle des Verteilergetriebes von 1 ist;
4 ein Biegemomentdiagramm der Primärwelle des Verteilergetriebes von 1 ist;
5A eine Draufsicht auf eine simulierte Welle mit verborgenen Bestandteilen ist, die mit gestrichelten Linien dargestellt sind;
5B eine Querschnittansicht der simulierten Welle längs der Linie 5B-5B in 5A ist;
6A eine graphische Darstellung des Biegespannungskonzentrationsfaktors vs. den Schrägneigungswinkel der Fluidkanäle der in 5A bis 5B gezeigten simulierten Wellen ist;
6B eine graphische Darstellung des Torsionsspannungskonzentrationsfaktors vs. den Schrägneigungswinkel der Fluidkanäle der in 5A bis 5B gezeigten simulierten Wellen ist;
7A eine Draufsicht auf eine Prüfwelle mit verborgenen Bestandteilen ist, die mit gestrichelten Linien angedeutet sind;
7B eine Querschnittansicht der Prüfwelle längs der Linie 7B-7B in 7A ist;
8 ein SN-Diagramm der Spannungsamplitude (MPa) vs. die Zyklen bis zum Bruch von Prüfwellen bei Umlaufbiegeprüfungen ist;
9A eine Querschnittansicht einer Ausführungsform eines Verteilergetriebes ist;
9B eine Detailansicht des Verteilergetriebes, wie in 9A angegeben, ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung zielt auf eine Primärwelle und ein Verteilergetriebe, ein Zahnradgetriebe oder eine andere Drehmomentübertragungsvorrichtung mit dieser Primärwelle ab. Die Primärwelle enthält einen oder mehrere Fluidkanäle (z. B. Leitungen, Löcher usw.), die derart ausgelegt sind, dass sich die Dauerfestigkeit der Primärwelle im Vergleich zu herkömmlichen perpendikulären Fluidkanälen erhöht. Insbesondere enthält die Primärwelle einen oder mehrere Fluidkanäle, die in Bezug auf die Achse der Primärwelle schräg oder unter einem Winkel angeordnet (d. h. nicht perpendikulär) sind, d. h. derart, dass sich die Fluidkanäle quer in Bezug auf die Achse der Primärwelle erstrecken.
Im Vergleich zu Wellen, die perpendikuläre Fluidkanäle aufweisen, kann eine Welle mit schrägen Fluidkanälen eine höhere Biegedauerfestigkeit haben. Mit den schrägen Fluidkanälen erfährt die Welle beispielsweise eine betragsmäßig geringere Biegespannung und weist dadurch eine höhere Biegedauerfestigkeit auf.
Die schrägen Fluidkanäle können bewirken, dass die Welle eine höhere Torsionsspannung erfährt und dadurch eine niedrigere Torsionsdauerfestigkeit aufweist. Bei Verteilergetriebe-Anwendungen ist jedoch die Biegedauerfestigkeit typischerweise geringer als die Torsionsdauerfestigkeit. Daher kann eine höhere Biegedauerfestigkeit auf Kosten einer niedrigeren Torsionsdauerfestigkeit immer noch eine höhere Gesamt-Dauerfestigkeit der Welle zum Ergebnis haben.
Computersimulationen und Prüfdaten lassen darauf schließen, dass schräge Fluidkanäle die Biegespannungskonzentration verringern und die Biegedauerfestigkeit erhöhen können, während sie gleichzeitig die Torsionsspannungskonzentration erhöhen und die Torsionsdauerfestigkeit verringern.
Mit Bezug auf 5A bis 6B: Es wurden Computersimulationen durchgeführt, um den Biegespannungskonzentrationsfaktor K_b und den Torsionsspannungskonzentrationsfaktor K_t bei simulierten Wellen 210 aus Stahlwerkstoff zu bestimmen. Wie in 5A bis 5B gezeigt, weisen die simulierten Wellen 210 eine Länge L von 500 mm, einen Außendurchmesser D_O von ungefähr 50 mm und einen Innendurchmesser D_I von 12 mm, der einen Zentralkanal 212 bildet, auf. Die simulierte Welle 210 enthält einen Fluidkanal 214 mit einem Durchmesser D_L , einer Mittelachse 214a und einem Schrägneigungswinkel β_L , gemessen zwischen der Mittelachse 214a des Fluidkanals 214 und einer Ebene, die senkrecht zur Mittelachse 210a der Welle 210 ist. Für Wellen 210, die Fluidkanäle 214 mit Durchmessern D_L von 3 mm und 5 mm aufweisen, wurden Computersimulationen bei Schrägneigungswinkeln β_L zwischen 0 Grad (d. h. es handelt sich um einen herkömmlichen perpendikulären Fluidkanal) und 45 Grad (bei den 5-mm-Wellen) sowie 80 Grad (bei den 3-mm-Wellen) in 5-Grad-Schritten durchgeführt, d. h. es handelt sich um spitze Schrägneigungswinkel β_L, wodurch sich die Fluidkanäle 214 quer zur Mittelachse 210a der Welle 210 erstrecken. Bei den Computersimulationen wurde entweder eine Biegebelastung von 1 kN bei L/2 oder eine Torsionsbelastung von 1000 Nm angewendet.
6A bis 6B sind graphische Darstellungen von Biege- und Torsionsspannungskonzentrationsfaktoren K_b , K_t bei zunehmenden Schrägneigungswinkeln β_L für Wellen 210, die Fluidkanäle 214 mit Durchmessern D_L von 3 mm und 5 mm aufweisen. Wie in 6A gezeigt, nimmt sowohl bei den 3-mm- als auch bei den 5-mm-Fluidkanälen 214 der Biegespannungskonzentrationsfaktor K_b von einem Wert zwischen 2,9 und 3,0 auf etwa 2,3 ab, während der Schrägneigungswinkel β_L von 0 auf 45 Grad zunimmt. Bei dem 3-mm-Fluidkanal 214 nimmt der Biegespannungskonzentrationsfaktor K_b von etwa 2,3 weiter ab auf etwa 1,4, während der Schrägneigungswinkel β_L weiter zunimmt, nämlich von 45 auf 80 Grad. Dementsprechend lassen sich durch Vergrößern des Schrägneigungswinkels des Fluidkanals 214 Vorteile bei der Verringerung des Biegespannungskonzentrationsfaktors K_b erzielen. Außerdem sind kleine Verbesserungen bei dem Biegespannungskonzentrationsfaktor K_b mit großen Verbesserungen bei der Biegedauerfestigkeit korreliert worden. Dementsprechend können durch Vergrößern des Schrägneigungswinkels des Fluidkanals 214 erwartungsgemäß beträchtliche Vorteile bei der Biegedauerfestigkeit erzielt werden.
Wie in 6B gezeigt, nimmt für beide Durchmesser der Fluidkanäle 214 der Torsionsspannungskonzentrationsfaktor K_t von einem Wert zwischen 1,9 und 2,0 auf ungefähr 2,4 zu, während der Schrägneigungswinkel β_L von 0 auf 45 Grad zunimmt. Bei dem 3-mm-Fluidkanal 214 nimmt der Biegespannungskonzentrationsfaktor K_b von etwa 2,4 auf über 6,4 zu, während der Schrägneigungswinkel β_L weiter zunimmt, nämlich von 45 auf 80 Grad.
Dementsprechend können Nachteile bei einem höheren Torsionsspannungskonzentrationsfaktor K_t eine Folge der Vergrößerung des Schrägneigungswinkels des Fluidkanals 214 sein, was auch zu einer Verringerung der Torsionsdauerfestigkeit führen kann.
In Abhängigkeit von der Anwendung kann jedoch ein höherer Torsionsspannungskonzentrationsfaktor K_t (und dadurch eine geringere Torsionsdauerfestigkeit) in Abwägung gegen den Vorteil durch einen niedrigeren Biegespannungskonzentrationsfaktor (und dadurch eine höhere Biegedauerfestigkeit) akzeptabel sein. Normalerweise wird die Gesamt-Dauerfestigkeit einer Primärwelle in einem Verteilergetriebe durch die Biegedauerfestigkeit begrenzt, beispielsweise aufgrund von Lastwechseln an der Primärwelle (z. B. während einer Lasteinwirkung in einer im Wesentlichen konstanten Richtung dreht sich die Primärwelle relativ dazu). An sich kann eine Zunahme der Biegedauerfestigkeit, während die Torsionsdauerfestigkeit abnimmt, immer noch eine Zunahme der Gesamt-Dauerfestigkeit zum Ergebnis haben.
Mit Bezug auf 7A bis 8: Prüfdaten lassen ebenfalls darauf schließen, dass schräge Fluidkanäle die Dauerfestigkeit über jene von perpendikulären Fluidkanälen hinaus erhöhen können. Insbesondere wurden Umlaufbiegeprüfungen an Prüfwellen 310 durchgeführt. Die Prüfwellen waren als normalgeglühte Rundstangen ausgeführt, in 7A und 7B schematisch dargestellt. Die Prüfwellen 310 wurden aus Stahl AISI 1050 geformt, und nach Einbringen eines Lochs 314 (z. B. einer Bohrung) wurden sie wärmevergütet, um ihnen eine Härte von 53 auf der Rockwellhärteskala (HRC) zu verleihen. Jede Prüfwelle 310 ist eine Vollwelle mit einer Gesamtlänge L von ungefähr 112 mm, die einen inneren Messabschnitt und äußere Schulterabschnitte aufweist. Der innere Messabschnitt hat eine Länge L_I von ungefähr 40,6 mm und einen Durchmesser D_I von ungefähr 9,5 mm. Die äußeren Schulterabschnitte weisen Längen L_O von ungefähr 35,6 mm und Durchmesser D_O von ungefähr 12,7 mm auf. Jede Prüfwelle 310 weist entweder ein Loch 314 auf, das perpendikulär (z. B. senkrecht) ist, oder ein Loch 314, das (wie gezeigt) schräg ist, mit einem spitzen Schrägneigungswinkel β_L von 45 Grad (wie vorstehend definiert). Jedes Loch 314 hat einen Durchmesser D_L von ungefähr 0,63 mm, eine Tiefe, die sich bis zur Mittelachse 310a der Prüfwelle 310 erstreckt, und eine 60-Grad-Fase (ungefähr 0,47 mm Fasentiefe, gemessen axial von dem Loch 314, das perpendikulär ist, oder 0,094 mm Mindestfasentiefe, gemessen senkrecht zu dem Loch 314, das schräg ist).
Die Umlaufbiegeprüfung umfasst ein Biegen der Prüfwelle 310, derart, dass zwischen den Achsen der Schulterabschnitte ein Winkel von null Grad ist, und ein gleichzeitiges Drehen der Prüfwelle 310, wobei jede Umdrehung als ein Zyklus angesehen wird. 8 ist ein SN-Diagramm, das die Anzahl der Zyklen bis zum Ausfall (d. h. Bruch) bei einer gegebenen Spannungsamplitude für jede der Prüfwellen 310 bei der Umlaufbiegeprüfung veranschaulicht. Die Prüfung ließ darauf schließen, dass die Prüfwellen 310 mit Löchern 314, die schräg waren, eine HCF- (High Cycle Fatigue) Belastung bei mindestens einigen Spannungsamplituden länger aushielten. Beispielsweise wiesen Prüfwellen 310 mit Löchern 314, die schräg waren, bei einer Spannungsamplitude von 400 MPa eine mittlere Zyklenzahl bis zum Bruch von ungefähr 144.000 auf, während Prüfwellen 310 mit Löchern 314, die perpendikulär waren, eine mittlere Zyklenzahl bis zum Bruch von ungefähr 105.300 aufwiesen.
Mit Bezug auf 9A bis 9B: Ein Verteilergetriebe 400 ist in einer Weise ausgeführt, die dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Verteilergetriebe 100 ähnlich ist, jedoch weist das Verteilergetriebe 400 statt der Primärwelle 110 mit den perpendikulären Fluidkanälen 114 eine Primärwelle 410 (z. B. eine Primärausgangswelle) mit einem oder mehreren schrägen Fluidkanälen 414 in Verbindung (z. B. in fluidischer Verbindung) mit einem Zentralkanal 412 auf. Die Welle 410 kann aus Stahl oder einem anderen geeigneten Werkstoff sein, der ungehärtet oder nach geeigneten Verfahren gehärtet sein kann.
Bei dem Verteilergetriebe 400 sind Bezugszeichen für Bestandteile oder Bauteile, die denen des Verteilergetriebes 100 ähnlich sind, stattdessen 400er Nummern. Beispielsweise weist das Verteilergetriebe 400 zusätzlich Lager 402 zum Lagern der Primärwelle 410, eine Sekundärwelle 430 (z. B. eine Sekundärausgangswelle), die mithilfe von Lagern 404 gelagert wird, und einen Drehmoment-Übertragungsmechanismus 420 (d. h. eine Kupplung 422, ein Primärkettenrad 424, das konzentrisch zur Primärwelle 410 ist, eine Kette 426 und ein Sekundärkettenrad 428) auf. Weitere Ausführungen zu diesen Bestandteilen oder Bauteilen sind der vorstehenden Erörterung des Verteilergetriebes 100 zu entnehmen.
Wie in der Detailansicht von 9B gezeigt, hat jeder der schrägen Fluidkanäle 414 eine Mittelachse 414a und weist einen Einlass 414b und einen Auslass 414c auf. Bei bestimmten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass, wie in 9B zu sehen, die Fluidkanäle 414 in Bezug auf die Mittelachse 414a einander diametral gegenüberliegend angeordnet sein können. Die Mittelachse 414a schneidet die Achse der Primärwelle 410. Der Einlass 414b befindet sich im Innern der Primärwelle 410, sodass er mit dem Zentralkanal 412 in Verbindung steht. Der Auslass 414c befindet sich an einer Außenseite der Primärwelle 410, um Fluid an verschiedene Bauteile abzugeben.
Jeder der schrägen Fluidkanäle 414 ist dafür ausgelegt, Fluid radial nach außen abzugeben, um beispielsweise ein anderes Bauteil oder einen anderen Bestandteil, mit dem er in Verbindung steht, zu schmieren und/oder zu kühlen. Beispielsweise kann einer oder können mehrere der schrägen Fluidkanäle 414 mit dem Primärkettenrad 424 oder einem anderen Ort, an dem eine erhöhte oder maximale Biegebelastung (z. B. ein Spitzenwert) erwartet wird, in Verbindung stehen. Der Auslass 414c kann in axialer Übereinstimmung mit dem Primärkettenrad 424 sein, d. h. derart, dass der Auslass 414c das Primärkettenrad 424 in Achsenrichtung zumindest teilweise überschneidet (z. B. können ungefähr 50 % oder mehr der Fläche des Auslasses 414c das Primärkettenrad 424 überschneiden). Beispielsweise kann der Auslass 424c vollständig zwischen Stirnflächen (z. B. axialen Enden) des Primärkettenrades 424 angeordnet sein, derart, dass er zwischen den Stirnflächen des Primärkettenrades 424 im Wesentlichen zentriert ist (z. B. derart, dass die Mittelachse 414a des Fluidkanals 414 durch den Auslass 414c im axialen Mittelpunkt zwischen den Stirnflächen des Primärkettenrades 424 verläuft). Stattdessen oder zusätzlich kann eine Ebene, die senkrecht zur Welle und im Bereich (z. B. am Ort) eines Spitzenwerts der Biegebelastung ist, durch den schrägen Fluidkanal 414 (z. B. durch den Auslass 414c davon) verlaufen; die Ebene kann, muss aber nicht, durch den Einlass 414b verlaufen. Bei Verteilergetrieben, die stattdessen (d. h. statt der Kettenräder 424 und der Kette) Zahnradgetriebe verwenden, um zwischen einer Primärwelle und einer Sekundärwelle Drehmoment zu übertragen, kann ein schräger Fluidkanal oder können mehrere schräge Fluidkanäle stattdessen mit dem Zahnrad in Verbindung stehen, das mit einer solchen Primärwelle verbunden ist, wobei sie relativ dazu in ähnlicher Weise angeordnet sein können.
Der schräge Fluidkanal 414, der mit dem Primärkettenrad 424 in Verbindung steht, kann sich vom Einlass 414b zum Auslass 414c und auf die Kupplung 422 zu (wie gezeigt) erstrecken, derart, dass der Einlass 414b axial von der Kupplung 422 weiter entfernt ist als der Auslass 414c. Alternativ kann der schräge Fluidkanal 414 sich vom Einlass 414b zum Auslass 414c und von der Kupplung 422 weg erstrecken, derart, dass der Einlass 414b axial näher an der Kupplung ist als der Auslass 414c, oder sich axial gegenüber einem Abschnitt der Kupplung in Bezug auf den Auslass 414c erstrecken.
Jeder schräge Fluidkanal 414 kann beispielsweise einen Schrägneigungswinkel β_L aufweisen, z. B. einen spitzen Winkel, der größer als ungefähr 20 Grad ist, wie etwa einen Schrägneigungswinkel zwischen ungefähr 40 und 50 Grad (z. B. ungefähr 45 Grad), wodurch die Fluidkanäle 414 sich quer zur Mittellängsachse der Welle 410 erstrecken. Bei anderen Anwendungen kann der schräge Fluidkanal 414 einen steileren Schrägneigungswinkel (z. B. größer als 50 Grad) aufweisen; jedoch kann bei solch größeren Winkel die Fluidströmung zu stark behindert werden und/oder die Fertigung (z. B. Bildung des schrägen Fluidkanals 414) kann bei steileren Winkeln zu kompliziert und/oder aufwändig sein.
Der schräge Fluidkanal 414 kann zudem einen angefasten Auslass 414c (z. B. wie in 9A bis 9B gezeigt) oder keine Fase aufweisen.
Obwohl die schrägen Fluidkanäle 414 hauptsächlich im Zusammenhang mit der Primärwelle 410 des Verteilergetriebes 400 erörtert worden sind, versteht sich, dass die Sekundärwelle 430 ebenso einen oder mehrere schräge Fluidkanäle 414 aufweisen kann, die auf ähnliche Weise mit dem Sekundärkettenrad 428 in Verbindung stehen, und dass bei anderen Anwendungen andere Drehwellen, die hohe Biegemomente erfahren, schräge Fluidkanäle oder Löcher an axialen Position aufweisen können, an denen erhöhte oder maximale Biegemomente wirken. Beispielsweise kann eine Welle, die einen oder mehrere schräge Fluidkanäle enthält, in eine Antriebsbaugruppe anderen Typs (z. B. ein Riemenvorgelege, ein Zahnradgetriebe oder eine andere Drehmomentübertragungsvorrichtung oder einen anderen Drehmomentübertragungsmechanismus, bei dem/der die Welle Biegelastwechseln ausgesetzt ist) eingebaut werden und zwar derart, dass sich der schräge Fluidkanal in einem Bereich (z. B. an einem Ort) der Welle befindet, in dem ein Spitzenwert der Biegebelastung auftritt. Überdies können, obwohl eine Primärwelle 410 von Anfang an mit einem schrägen Fluidkanal 414 konzipiert sein kann, frühere Ausführungen mit perpendikulären Fluidkanälen ohne Weiteres mit schrägen Fluidkanälen nachgerüstet (z. B. umgestaltet) werden, um eine bessere Dauerfestigkeit zu erzielen.
Es versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein soll, sondern im Gegenteil vorgesehen ist, verschiedene Modifikationen und äquivalente Ausführungen, die im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche enthalten sind, abzudecken, wobei der Schutzbereich im weitesten Sinne auszulegen ist, sodass er alle derartigen Modifikationen und äquivalenten Strukturen abdeckt, soweit dies nach geltendem Recht zulässig ist.
In der gesamten vorliegenden Offenbarung sollen Ausdrücke, wie etwa „im Wesentlichen“, „ungefähr“ und „im Allgemeinen“ so verstanden werden, dass bei dem Zahlenbereich oder Konzept, mit dem sie in Verbindung stehen, Abweichungen zugelassen sind. Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Verwendung von Ausdrücken wie „im Wesentlichen“, „ungefähr“ und „im Allgemeinen“ so verstanden werden sollte, dass Abweichungen in der Größenordnung von 25 % mit eingeschlossen sind oder dass Fertigungstoleranzen und/oder gestalterische Abweichungen zugelassen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/507411 [0001]

Claims

Verteilergetriebe, umfassend: eine Primärwelle mit einem Zentralkanal, der sich entlang einer ersten Achse erstreckt, und einem Fluidkanal, der sich entlang einer zweiten Achse, quer zur ersten Achse, erstreckt und mit dem Zentralkanal in fluidischer Verbindung steht, wobei sich die zweite Achse unter einem spitzen Schrägneigungswinkel relativ zu einer Ebene erstreckt, die senkrecht zur ersten Achse ist; eine Sekundärwelle, die radial zur Primärwelle versetzt ist; und einen Drehmoment-Übertragungsmechanismus, der dafür ausgelegt ist, Drehmoment von der Primärwelle auf die Sekundärwelle zu übertragen, wobei der Drehmoment-Übertragungsmechanismus eines von einem Kettenrad und einem Zahnrad umfasst, das an die Primärwelle gekoppelt und konzentrisch zu dieser ist.
Verteilergetriebe nach Anspruch 1, wobei der Fluidkanal einen Auslass definiert, der in axialer Übereinstimmung mit dem Primärkettenrad angeordnet ist.
Verteilergetriebe nach Anspruch 2, wobei das Kettenrad entgegengesetzte Enden definiert, die axial voneinander beabstandet entlang der Primärwelle angeordnet sind, und der Auslass, der durch den Fluidkanal definiert wird, zwischen den entgegengesetzten Enden des Kettenrades angeordnet ist.
Verteilergetriebe nach Anspruch 3, wobei der Auslass zwischen und ungefähr gleich weit entfernt von den entgegengesetzten Enden des Kettenrades angeordnet ist.
Verteilergetriebe nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Schrägneigungswinkel größer als ungefähr 20 Grad ist.
Verteilergetriebe nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Schrägneigungswinkel zwischen ungefähr 40 Grad und ungefähr 50 Grad ist.
Verteilergetriebe nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Primärwelle einen ersten Fluidkanal und einen zweiten Fluidkanal enthält, wobei der erste und zweite Fluidkanal gleiche Schrägneigungswinkel definieren.
Verteilergetriebe nach Anspruch 7, wobei der erste und zweite Fluidkanal in Bezug auf die erste Achse einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
Verteilergetriebe, umfassend: eine Abtriebswelle, die eine Mittellängsachse definiert und eine Fluidleitung aufweist, die einen Auslass definiert, wobei sich die Fluidleitung unter einem spitzen Schrägneigungswinkel in Bezug auf eine Ebene erstreckt, die senkrecht zur Mittellängsachse ist; und einen Drehmoment-Übertragungsmechanismus im mechanischen Zusammenwirken mit der Abtriebswelle, wobei der Drehmoment-Übertragungsmechanismus eines von einem Kettenrad und einem Zahnrad aufweist, das eine erste und zweite Seitenfläche definiert, die einander gegenüberliegen und axial voneinander beabstandet entlang der Mittellängsachse angeordnet sind, wobei die Abtriebswelle von einem ersten Lager und einem zweiten Lager gelagert wird, die auf gegenüberliegenden Seiten des Kettenrades angeordnet sind.
Verteilergetriebe nach Anspruch 9, wobei der Schrägneigungswinkel größer als ungefähr 20 Grad ist.
Verteilergetriebe nach Anspruch 10, wobei der Schrägneigungswinkel zwischen ungefähr 40 Grad und ungefähr 50 Grad ist.
Verteilergetriebe nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Auslass der Fluidleitung zwischen dem ersten und zweiten Lager angeordnet ist.
Verteilergetriebe nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Auslass der Fluidleitung zwischen der ersten und zweiten Seitenfläche des Kettenrades angeordnet ist.
Verteilergetriebe nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Auslass der Fluidleitung zwischen und ungefähr gleich weit entfernt von der ersten und zweiten Seitenfläche des Kettenrades angeordnet ist.
Antriebsbaugruppe, umfassend: eine Welle zur Übertragung von Drehmoment und Verteilung von Fluid, wobei die Welle in einem Bereich eines Spitzenwerts der Biegebelastung der Welle einen schrägen Fluidkanal enthält, wobei der Fluidkanal einen Einlass und einen Auslass definiert, die axial voneinander beabstandet entlang der Welle angeordnet sind.