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Die Erfindung betrifft eine Lagereinheit für einen Axialkraftaktor, einen Axialkraftaktor mit einer solchen Lagereinheit mit einer Axialkraftachse für ein Schaltgetriebe, ein Schaltgetriebe mit einem solchen Axialkraftaktor für einen Antriebsstrang, einen Antriebsstrang mit einem solchen Schaltgetriebe, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Antriebsstrang, sowie ein Fertigungsverfahren zum Sichern eines Radiaxlagers in einer solchen Lagereinheit.
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Im Stand der Technik sind Lagereinheiten für einen Axialkraftaktor aus verschiedenen Anwendungen bekannt. Beispielsweise bei einem Spindeltrieb, bei welchem also eine ein Drehmoment in eine Axialkraft gewandelt wird, ist ein Radiaxlager vorzusehen, beispielsweise ein Rillenkugellager, mittels welchem zum einen die Rotation der Spindel oder der Spindelmutter und zum anderen die axiale Reaktionskraft (Axialkraft) aufgenommen werden muss. Bei einigen Anwendungen ist der verfügbare axiale Bauraum besonders gering, sodass eine Sicherung des Radiaxlagers mittels herkömmlicher (zur Aufnahme einer Axialkraft eingerichteter) Sicherungselemente nicht einsetzbar ist.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft eine Lagereinheit für einen Axialkraftaktor, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - ein Radiaxlager mit einer Rotationsachse, aufweisend einen radial inneren Lagerring und einen radial äußeren Lagerring, wobei das Radiaxlager zum Aufnehmen von einer Axialkraft eingerichtet ist;
- - ein Lagergehäuse mit einem Lagersitz für einen der Lagerringe des Radiaxlagers, in welchem das Radiaxlager mittels des betreffenden Lagerrings aufgenommen ist; und
- - eine Umformkante bei dem Lagersitz, welche einstückig mit dem Lagergehäuse gebildet ist und den aufgenommenen Lagerring des Radiaxlagers axial sichert.
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Die Lagereinheit ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Umformkante und dem aufgenommenen Lagerring ein Zwischenelement vorgesehen ist, wobei das Zwischenelement in unmittelbarem axialen Kontakt mit der Umformkante steht.
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Es wird im Folgenden auf die genannte Rotationsachse Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden. In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.
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Die hier vorgeschlagene Lagereinheit ist beispielsweise für einen Spindeltrieb eines Axialkraftaktors ein für ein schaltbares Übersetzungsgetriebe, beispielsweise für eine sogenannte E-Achse eines elektrischen Kraftfahrzeugs oder eines Hybrid-Kraftfahrzeugs, bei welchem die elektrische Antriebsmaschine mittels zumindest (bevorzugt genau) zwei Übersetzungsgängen zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs mit dem Abtrieb eingerichtet ist. Das Radiaxlager ist beispielsweise ein Gleitlager oder ein Wälzlager und weist zu diesem Zweck einen radial inneren Lagerring (beispielsweise einen separaten Innenring eines Wälzlagers) und einen radial äußeren Lagerringen (beispielsweise einen separaten Außenring eines Wälzlagers) auf, wobei der radial innere Lagerring beispielsweise (mittelbar oder unmittelbar) mit einer Spindel (rotierbar) verbunden ist und der radial äußere Lagerring in dem Lagergehäuse (fest) aufgenommen ist, oder umgekehrt. Die beiden Lagerringe sind auf einander abgleitend beziehungsweise mittels Wälzköpern über ihre jeweils radial hin zu dem anderen Lagerring ausgerichteten Lagerlauffläche abwälzend miteinander in (mittelbarem oder unmittelbarem) Kontakt, sodass ein reibungsarmes Rotieren des gelagerten rotierbaren Bauteils gegenüber dem lagernden Bauteil (Lagergehäuse) gewährleistet ist.
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Dieses Radiaxlager ist zudem zum Aufnehmen zumindest einer Axialkraft eingerichtet, sodass die Reaktionskräfte (beispielsweise eines Spindeltriebs) von dem Lagergehäuse aufgenommen werden können. Das Lagergehäuse der Lagereinheit weist für das Radiaxlager einen Lagersitz auf, in welchen einer der Lagerringe, beispielsweise der radial äußere Lagerring, aufgenommen ist. Der aufgenommene Lagerring ist beispielsweise auf Spiel eingeschoben oder eingepresst. Um eine geringe Deformation der Lauffläche zu erreichen ist eine Presspassung jedoch zu gering, um die auslegungsgemäße Axialkraft vollständig aufnehmen zu können. Vielmehr wird die Axialkraft, zumindest anteilig, von einer Umformkante aufgenommen, welche mittels eines Umformverfahrens aus einem Gehäuseabschnitt des Lagergehäuses derart gebildet ist, dass der aufgenommene Lagerring in dem Lagersitz axial gesichert (axialkraftübertragend) aufgenommen ist.
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Es wurde in diesem Zusammenhang festgestellt, dass die notwendigen Umformkräfte sich auf die Lagerlauffläche des Radiaxlagers derart auswirken können, dass es zu einer starken Reduktion des Lagerspalts (Gleitlager) beziehungsweise Lagerspiels (Wälzlager) und dadurch zu erhöhter Reibung kommt, insbesondere eine Schwergängigkeit bei tiefen Temperaturen aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Material des Lagergehäuses, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung (beispielsweise AISi9Cu3 [Aluminium mit neun Gewichtsprozent Silizium und drei Gewichtsprozent Kupfer]) und einem aufgenommenen Lagerringen aus einem (beispielsweise niedriglegierten) Stahl (beispielsweise 100Cr6 [ein Gewichtsprozent Kohlenstoff und zumindest zudem anderthalb Gewichtsprozent Chrom, als Wälzlagerstahl gehärtet und angelassen]) führt. Es wurde in diesem Zusammenhang überraschend festgestellt, dass die Ursache dafür einer unerwartet großen Maßtoleranz des aufgenommenen Lagerrings beziehungsweise großen Abweichungen der Rundungsradien (hier relevant der von der Umformkante zu umgreifenden Ringkante) des aufgenommenen Lagerrings bei unterschiedlichen Lagertypen geschuldet ist. Zur Gewährleistung einer ausreichenden axialen Sicherung beziehungsweise Auszugfestigkeit des aufgenommenen Lagerrings muss in einem wirtschaftlich beherrschbaren Umformprozess daher über die gesamte Maßtoleranz beziehungsweise für die unterschiedlichen Lagertypen von dem Umformwerkzeug eine hohe Umformkraft und/oder ein langer Umformweg abgegeben werden. Dies führt aber wiederum bei einer minimalen Maßtoleranz des aufgenommenen Lagerrings beziehungsweise einem Lagertypen mit einem kleinen Rundungsradius der Ringkante zu eben einer Deformation der Lagerlauffläche führt.
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Hier ist nun vorgeschlagen, dass zwischen dem aufgenommenen Lagerring und der Umformkante ein Zwischenelement vorgesehen ist. Indem das Zwischenelement vorgesehen ist, wird die (festigkeitsrelevante lagerseitige) Form der Umformkante zu dem Zwischenelement anstatt zu dem Lagerring gebildet. Damit ist im Umformprozess eine auf das Zwischenelement optimierte Umformung der Umformkante des entsprechenden Gehäuseabschnitts zum Bilden der Umformkante ausführbar. Mittels des Zwischenelements ist also der aufgenommene Lagerring vor dem unmittelbaren Einfluss der Umformkräfte geschützt.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Lagereinheit vorgeschlagen, dass das Zwischenelement ringförmig gebildet ist und einen kantenseitigen Durchmesser aufweist und der aufgenommene Lagerring einen sitzseitigen Durchmesser aufweist, wobei der kantenseitige Durchmesser mit dem sitzseitigen Durchmesser des aufgenommenen Lagerrings identisch ist.
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Hier ist vorgeschlagen, dass das Zwischenelement ringförmig, bevorzugt kreisförmig, gebildet ist, besonders bevorzugt umlaufend geschlossen, sodass eine ebenfalls bevorzugt umlaufend geschlossene Umformkante vollflächig auf dem Zwischenelement aufliegt. Der kantenseitige Durchmesser des Zwischenelements ist der Durchmesser bei der Kante des Zwischenelements, welche von der Umformkante axial umgriffen, bevorzugt auch radial (spielfrei oder auf Pressung) umgriffen (also ummantelt), ist. Der sitzseitige Durchmesser des aufgenommenen Lagerrings ist der Durchmesser bei der Kante des Lagerings, welche bei einer Ausführungsform ohne Zwischenelement von der Umformkante unmittelbar axial umgriffen ist. Die jeweilige Kante ist die axial aus dem Lagersitz herausweisende Kante. Bei einer Montage mittels axialem Einschieben des Lagerrings weist die Kante axial also entgegen der (axialen) Montagerichtung. Wenn der Lagersitz für einen radial äußeren Lagerring eingerichtet ist, so entsprechen die hier bezeichneten Durchmesser dem jeweiligen Außendurchmesser. Wenn der Lagersitz für einen radial inneren Lagerring eingerichtet ist, so entsprechen die hier bezeichneten Durchmesser dem jeweiligen Innendurchmesser.
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Hier ist nun vorgeschlagen, dass der kantenseitige Durchmesser des Zwischenelements und der sitzseitige Durchmesser des aufgenommenen Lagerrings betragsmäßig gleich sind. Somit ist der Lagersitz derart ausführbar, dass der aufgenommene (beziehungsweise aufzunehmende) Lagerring axial einführbar ist. Zugleich ist eine axiale Kraftübertragung über die größtmögliche Fläche zwischen dem Zwischenelement und dem Lagergehäuse, also der Umformkante ermöglicht. Zudem wird eine axiale Umformkraft beziehungsweise der axiale Anteil der Umformkraft zum Bilden der Umformkante einzig mittelbar über das Zwischenelement auf das den aufgenommenen Lagerring geleitet. Zudem ist ein radialer Anteil der Umformkraft beziehungsweise der Fließkraft des verformten Gehäuseabschnitts zum Bilden der Umformkante auf ein Minimum reduziert, weil der Hauptanteil der die plastische Verformung des Gehäuseabschnitts verursachenden Spannungen in der unmittelbaren Umgebung des Zwischenelements vorliegen. In einer Ausführungsform entspricht die radiale (Ring-) Ausdehnung des ringförmigen Zwischenelements der radialen (Ring-) Ausdehnung des aufgenommenen Lagerrings, sodass das Zwischenelement und der aufgenommene Lagerring einander radial vollständig überlappen. In einer Ausführungsform entspricht die radiale (Ring-) Ausdehnung des ringförmigen Zwischenelements dem radialen Laschenfortsatz der Umformkante. Bevorzugt erstreckt sich das Zwischenelement radial weiter in radialer Richtung als der Laschenfortsatz der Umformkante.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Lagereinheit vorgeschlagen, dass das Zwischenelement eine von der Umformkante umgriffene Außenkante aufweist und der aufgenommene Lagerring eine Ringkante aufweist, wobei eine vorbestimmte Maßtoleranz der Außenkante geringer ist als eine vorbestimmte Maßtoleranz der Ringkante.
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Die hier beschriebene Außenkante weist bei einem aufgenommenen äußeren Lagerring nach radial außen und weg von dem aufgenommenen Lagerring und bei einem aufgenommenen inneren Lagerring nach radial innen und von Lagerring. Die Ringkante des Lagerrings ist die entsprechend ausgerichtete Kante des Lagerrings. Hierbei ist vorgeschlagen, dass die Ringkante eine geringere vorbestimmte Maßtoleranz aufweist als die Ringkante, sodass ein kleineres (stets gleiches) Fenster für den Umformprozess einstellbar ist und somit ein kürzerer Umformweg und/oder eine kleinere Umformkraft auf die eine geringere Maßtoleranz aufweisende Außenkante auslegbar ist. Damit ist eine geringere Wirkung der Umformkraft auf Lagerlauffläche des Radiaxlagers erzielbar.
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Die (Weglängen-) Toleranz des Umformwegs ist im Vergleich zu einem Umformen ohne Zwischenelement beispielsweise um 50 % [fünfzig Prozent] bis 70 % oder mehr reduzierbar. Die Maßtoleranz der Außenkante ist im Vergleich zu der Ringkante beispielsweise ohne Weiteres um 90 % reduzierbar, beispielsweise bei 1 mm [ein Millimeter] Maßtoleranz an der Ringkante auf 0,1 mm an der Außenkante.
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Das Zwischenelement ist bevorzugt mittels Stanzen oder Schneiden, beispielsweise Lasern, mit engen Toleranzvorgaben kostengünstig fertigbar.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Lagereinheit vorgeschlagen, dass das Zwischenelement eine von der Umformkante umgriffene Außenkante aufweist und der aufgenommene Lagerring eine Ringkante aufweist, wobei die Außenkante scharfkantiger als die Ringkante ausgebildet ist.
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Zur Definition der Außenkante und der Ringkante wird auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen, wobei diese Definition unabhängig von dem Verhältnis der Maßtoleranzen in diesem Zusammenhang gilt, wobei bevorzugt auch hier die Maßtoleranz der Außenkante geringer ist als die Maßtoleranz der Ringkante.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Außenkante scharfkantiger als die Ringkante ausgebildet, also mit einem geringeren Rundungsradius ausgeführt. Damit ist weniger Material zum Bilden der Umformkante notwendig und somit eine geringere Umformkraft und/oder ein geringerer Umformweg notwendig. Damit ist ein geringerer Einfluss der Umformkraft beziehungsweise der Dauer der Umformkraft auf die Lagerlauffläche des aufgenommenen Lagerrings erzielbar.
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Je scharfkantiger die Außenkante des Zwischenelements ist, desto geringer sind auch die erforderlichen Umformkräfte. Ein kürzerer Umformweg (aufgrund reduzierter Weglängentoleranz bei reduzierter Maßtoleranz) und/oder geringere Umformkräfte führen zu einem erheblich geringeren Verformungseinfluss auf die Lagerlauffläche.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Axialkraftaktor mit einer Axialkraftachse für ein Schaltgetriebe vorgeschlagen, aufweisend einen Spindeltrieb mit einer Spindel und einer Spindelmutter und eine Lageranordnung für eine reibungsarme Rotierbarkeit der Spindel oder Spindelmutter,
wobei die Lageranordnung eine Lagereinheit nach einem Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung umfasst und die Spindel oder die Spindelmutter mittels des Radiaxlagers der Lagereinheit axial abgestützt rotierbar gelagert ist.
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Der Axialkraftaktor umfasst einen Antriebsmotor mit einer Antriebswelle zum Erzeugen eines Drehmoments oder ein solcher Antriebsmotor ist anschließbar. Bspw. weist die Antriebswelle ein Antriebsrad, beispielsweise ein Ritzel, auf, welches auf den Spindeltrieb mit einem Aufnahmerad, beispielsweise ein Kronenrad für eine Umlenkung der Drehmomentachse, mit dem Spindeltrieb, beispielsweise der Spindel, drehmomentübertragend verbunden ist.
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Der hier vorgeschlagen Axialkraftaktor ist beispielsweise für ein Schaltgetriebe einsetzbar, wobei einer Axialkraft beziehungsweise ein Axialweg auf einen Schaltmechanismus entlang einer Axialkraftachse (parallel zu oder kongruent mit der Rotationsachse der Lagereinheit), beispielsweise eine Schaltgabel, aufgebbar ist. Der Axialkraftaktor weist einen Spindeltrieb auf, bei welchem eine rotierbare und axial fixierte Spindel und eine rotationfeste und axial bewegbare Spindelmutter, oder umgekehrt eine axial bewegbare Spindel und eine rotierbare Spindelmutter vorgesehen sind. Die jeweils axial fixierte Komponente ist mittels einer Lageanordnung für eine reibungsarme Rotation gelagert, wobei die Lageranordnung zur Aufnahme einer Axialkraft eingerichtet ist. Die Lageranordnung umfasst die Lagereinheit nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, und bevorzugt ein weiteres Rotationslager. Beispielsweise ist die Lageranordnung als Fest-Los-Lageranordnung eingerichtet, wobei die Lagereinheit mit dem Radiaxlager das Festlager bildet und das weitere Rotationslager das Loslager bildet. Alternativ ist die Lageranordnung als angestellte Lagerung mit Schrägwälzlagern (beispielsweise Schrägkugellagern) ausgeführt, welche axial gegeneinander verspannt sind. Das (optionale) weitere Rotationslager der Lageranordnung beispielsweise ein Gleitlager.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Axialkraftaktor ist mit einem im Ergebnis geringen axialen Bauraum eine beherrschbare (Umform-) Prozessführung für eine Umformkante vorgeschlagen, wobei der Einfluss auf die Lagerlauffläche des Radiaxlagers der Lagereinheit gering bis vernachlässigbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Schaltgetriebe für einen Antriebsstrang vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - eine Mehrzahl von Getriebegängen;
- - einen translatorisch betätigbaren Schaltmechanismus zum Schalten zwischen der Mehrzahl der Getriebegänge; und
- - einen Axialkraftaktor nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, wobei mittels des Axialkraftaktors der Schaltmechanismus betätigbar ist.
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Das hier vorgeschlagene Schaltgetriebe ist für ein Antriebsstrang, bevorzugt eine sogenannte E-Achse eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines (rein) elektrisch fahrenden Kraftfahrzeugs oder eines Hybrid-Kraftfahrzeugs, eingerichtet und umfasst zur veränderbaren Übermittlung eines Drehmoments eine Mehrzahl von Getriebegängen, beispielsweise für eine E-Achse zwei Getriebegänge für zwei verschiedene Geschwindigkeitsbereiche, beispielsweise bis 150 km/h [einhundertfünfzig Kilometer pro Stunde] mit einem ersten Getriebegang und für Geschwindigkeiten über 150 km/h mit einem zweiten Getriebegang. Alternativ oder zusätzlich ist ein Getriebegang für die Drehrichtungsumkehr vorgesehen. Zum Einlegen eines Getriebegangs ist ein translatorisch betätigbarer Schaltmechanismus vorgesehen, beispielsweise eine Schaltgabel, welche auf eine Schaltmuffe einwirkt. Bei einer Schaltgabel als Schaltmechanismus ist ein aktorseitiges Hebelende und ein muffenseitiges Hebelende vorgesehen und die Schaltkabel ist um eine Hebelachse verkippbar, wobei bevorzugt mittels der Hebelverhältnisse der Schaltgabel eine Übersetzung beziehungsweise Untersetzung (beispielsweise Vergrößerung des Schaltwegs) der Aktorkraft auf die Schaltmuffe erzielt ist. Der Axialkraftaktor wirkt mit seiner (rotatorisch fixierten) Spindelmutter oder mit seiner (rotatorisch fixierten) Spindel seines Spindeltriebs auf den Schaltmechanismus, beispielsweise das aktorseitige Hebelende der Schaltgabel.
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Bei dem Schaltgetriebe ist ein Axialkraftaktor umfasst oder anschließbar, sodass die Axialkraft zum Betätigen des Schaltmechanismus als Drehmoment bereitstellbar ist.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Schaltgetriebe ist mit einem im Ergebnis geringen axialen Bauraum eine beherrschbare (Umform-) Prozessführung für eine Umformkante vorgeschlagen, wobei der Einfluss auf die Lagerlauffläche des Radiaxlagers der Lagereinheit gering bis vernachlässigbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Antriebsstrang vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - eine Antriebsmaschine mit einer Maschinenwelle,
- - zumindest einen Verbraucher; und
- - ein Schaltgetriebe nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung,
wobei die Maschinenwelle zur Drehmomentübertragung mittels des Schaltgetriebes mit dem zumindest einen Verbraucher mit einer mittels des Axialkraftaktors veränderbaren Übersetzung verbunden ist.
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Der Antriebsstrang ist dazu eingerichtet, ein von einer Antriebsmaschine (Haupt-Drehmomentquelle), zum Beispiel einer Energiewandlungsmaschine, bevorzugt einer Verbrennungskraftmaschine oder einer elektrischen Antriebsmaschine, bereitgestelltes und über ihre Maschinenwelle abgegebenes Drehmoment für zumindest einen Verbraucher (Drehmomentsenke) bedarfsgerecht zu übertragen. Ein beispielhafter Verbraucher ist zumindest ein Vortriebsrad eines Kraftfahrzeugs und/oder ein elektrischer (Motor-) Generator zum Bereitstellen von elektrischer Energie. Umgekehrt ist auch eine Aufnahme einer von zum Beispiel einem Vortriebsrad eingebrachten Trägheitsenergie umsetzbar. Das zumindest eine Vortriebsrad bildet dann eine Drehmomentquelle, wobei dessen Trägheitsenergie auf einen elektrischen (Motor-) Generator zur Rekuperation, also zur elektrischen Speicherung der Bremsenergie, mit dem entsprechend eingerichteten Antriebsstrang übertragbar ist. Für verschiedene Drehmomentabfragen beziehungsweise Drehzahlabfragen und/oder Drehrichtungen ist das Schaltgetriebe vorgesehen. Weiterhin sind in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Antriebsmaschinen vorgesehen, welche in Reihe oder parallel geschaltet beziehungsweise voneinander entkoppelt betreibbar sind, beziehungsweise deren Drehmoment jeweils lösbar zur Nutzung zur Verfügung stellbar ist. Beispiele sind Hybridantriebe aus elektrischer Antriebsmaschine und Verbrennungskraftmaschine, aber auch Mehrzylindermotoren, bei denen einzelne Zylinder (-gruppen) zuschaltbar sind.
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Um das Drehmoment gezielt mit unterschiedlichen Übersetzungen und/oder Drehrichtungen zu übertragen, ist die Verwendung des oben beschriebenen Schaltgetriebes besonders vorteilhaft. Die für das hier vorgeschlagene Schaltgetriebe eingerichtete Lagereinheit (im Axialkraftaktor) weist ein besonders geringes Bauvolumen auf und ist dennoch über einen weiten Temperaturbereich, vor allem bei Temperaturen unterhalb von0 °C [Null Grad Celsius], leichtgängig.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend zumindest ein Vortriebsrad zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs aufweist, welches mittels eines Antriebsstrangs nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung antreibbar ist.
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Die meisten Kraftfahrzeuge weisen heutzutage einen Frontantrieb auf und ordnen daher bevorzugt die Antriebsmaschine(n), beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine und/oder einer elektrischen Antriebsmaschine, vor der Fahrerkabine und quer zur Hauptfahrrichtung (parallel zu der Längsachse) an. Der Bauraum ist gerade bei einer solchen Anordnung besonders gering und es ist daher besonders vorteilhaft, ein Schaltgetriebe beziehungsweise einen Axialkraftaktor kleiner Baugröße zu verwenden. Ähnlich gestaltet sich der Einsatz eines Schaltgetriebes in motorisierten Zweirädern, für welche eine deutlich gesteigerte Leistung bei gleichbleibendem Bauraum gefordert wird.
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Verschärft wird diese Problematik bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung. Die verwendeten Funktionseinheiten in einem Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner. Der oben beschriebene Antriebsstrang weist ein Schaltgetriebe beziehungsweise einen Axialkraftaktor besonders geringer Baugröße auf. Zugleich ist bei geringer Bauraumforderung eine sehr hohe Axialkraft erzeugbar.
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Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht und Leistung zugeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Im US-Markt werden Fahrzeuge der Klasse Kleinwagen und Kleinstwagen nach europäischer Klassifizierung der Klasse der Subcompact Car zugeordnet und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini beziehungsweise der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen up! oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Alfa Romeo MiTo, Volkswagen Polo, Ford Ka+ oder Renault Clio. Bekannte Voll Hybride in der Kleinwagenklasse sind der BMW i3 oder der Toyota Yaris Hybrid.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fertigungsverfahren zum Sichern eines Radiaxlagers in einer Lagereinheit nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Schritte:
- a. Bereitstellen des Lagergehäuses;
- b. Einsetzen des aufzunehmenden Lagerrings in den Lagersitz;
- c. Auflegen des Zwischenelements auf den aufzunehmenden Lagerring; und
- d. Umformen eines entsprechenden Gehäuseabschnitts zum Bilden der an dem Zwischenelement anliegenden Umformkante des Lagergehäuses und damit Aufnehmen des aufzunehmenden Lagerrings,
wobei bevorzugt das Umformen mittels Rollieren ausgeführt wird.
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Für das hier vorgeschlagene Fertigungsverfahren wird auf die genannten Verfahrensschritte zumindest optional Bezug genommen. Ebenso gelten für zumindest eine Ausführungsform der zuvor beschriebenen Vorrichtungen die im folgenden beschriebenen Vorrichtungsmerkmale. Die genannten Schritte werden in der genannten Reihenfolge ausgeführt, wobei nicht ausgeschlossen ist, dass weitere Zwischenschritte ausgeführt werden. Dem Fertigungsverfahren gehen nicht genannte Fertigungsschritte und/oder Montageschritte voraus und es schließen sich unter Umständen Fertigungsschritte, Montageschritte und/oder Nachbearbeitungsschritte an.
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Zunächst wird in Schritt a. das Lagergehäuse mit dem Lagersitz bereitgestellt. Anschließend wird in Schritt b. der aufzunehmende Lagerring des Radiaxlagers (als Baueinheit oder zunächst einzig der aufzunehmende, also feste Lagerring) in den Lagersitz eingeführt, bevorzugt axial eingeschoben. Dann liegt ein Spiel vor oder der aufzunehmende Lagerring ist eingepresst. In Schritt c. wird das Zwischenelement auf den aufzunehmenden Lagerring aufgelegt, wobei ein Auflegen auch ein Einpressen des Zwischenelements in den Lagersitz beziehungsweise eine axiale Verlängerung des Lagersitzes oder an den Lagersitz axial angrenzenden Absatz umfasst. Zuletzt wird in Schritt d. der entsprechende Gehäuseabschnitt umgeformt, sodass die Außenkante des Zwischenrings umgriffen ist. Die gebildete Umformkante ist für ein Aufnehmen einer vorbestimmten Axialkraft eingerichtet. Der entsprechende Gehäuseabschnitt ist ein Materialüberschuss in axialer Richtung, welcher sich mittels der Umformkräfte plastisch zu der Umformkante umformen lässt. Bevorzugt ist das Umformen mittels Rollieren ausgeführt, wobei anstelle von axialen Stauchkräften (wie bei einem Stempel) Scherkräfte für die plastische Umformung maßgeblich sind. Ein solches Rollieren ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 206 678 A1 bekannt. Bevorzugt wird hier keine nietartige Verbindung geschaffen, sondern eine Form entsprechend einer (bevorzugt umlaufenden) radial hin zu dem aufzunehmenden Lagerring geknickten Umfalzung.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: ein Lagereinheit ohne Zwischenelement;
- 2: eine Lagereinheit im Vergleich zu einer Lagereinheit mit Zwischenelement;
- 3: einen Ausschnitt eines Schaltgetriebes mit Axialkraftaktor; und
- 4: ein Kraftfahrzeug mit elektrischer Antriebsmaschine.
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In 1 ist eine Lagereinheit 1 ohne Zwischenelement 11 in einer Schnittansicht gezeigt, bei welcher der äußere Lagerring 5 in einem Lagersitz 9 des Lagergehäuses 8 aufgenommen ist und dieser aufgenommene Lagerring 5 von einer Umformkante 10 axial bezogen auf die Rotationsachse 4 zur Aufnahme einer Axialkraft 7 gesichert ist. Das aufgenommene Radiaxlager 3 ist hier als Rillenkugellager mit einem äußeren Lagerring 5 und einem inneren Lagerring 6 ausgeführt, welche jeweils eine (rillenartige) Lagerlauffläche (hier nur die äußere Lagerlauffläche 34 bezeichnet) zum Führen von Wälzkörpern 35, hier Kugelkörpern, umfasst. Diese Lagerlauffläche 34 ist von dem Umformprozess zum Erzeugen der Umformkante 10 beeinflusst, weil die minimale Toleranzabweichung 32 (links in der Darstellung) und die maximale Toleranzabweichung 33 (rechts in der Darstellung) derart stark voneinander abweichen, dass eine entsprechende wirtschaftliche und/oder zuverlässige Führung des Umformprozess (mit konstanten Prozessparametern) dazu führt, dass bei der minimalen Toleranzabweichung 32 eine Deformation der (äußeren) Lagerlauffläche 34 verursacht und bei der maximalen Toleranzabweichung 33 keine ausreichende axiale Sicherung erzeugt werden kann.
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In 2 ist ein Vergleich einen zwischen einer Lagereinheit 31 ohne Zwischenelement 11 (links in der Darstellung) und einer Lagereinheit 1 mit einem Zwischenelement 11 (rechts in der Darstellung) gezeigt, wobei zur besseren Verständlichkeit (ohne Beschränkung der Allgemeinheit) der aufgenommene Lagerring 5 identisch ist. Es wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen, soweit hier gleiche Bezugszeichen vorgesehen sind. Das Zwischenelement 11 ist hier ringförmig, bevorzugt kreisförmig wie der aufgenommene (äußere) Lagerring 5, ausgebildet und weist einen kantenseitigen Durchmesser 12 auf, welcher (in etwa) dem sitzseitigen Durchmesser 13 des aufgenommenen Lagerrings 5 entspricht. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Außenkanten 14 des Zwischenelements 11, welche also axial aus dem Lagersitz 9 heraus weist, also hin zu der Umformkante 10 (hier in der Darstellung nach oben), scharfkantig ausgebildet ist, also einen im Vergleich zu der Ringkante 15 des aufgenommenen Lagerrings 5 kleineren Rundungsradius aufweist. Damit ist der Umformprozess mit geringeren Umformkräften und/oder mit einem kürzeren Umformweg ausführbar, um die Umformkante 10 zu bilden, sodass wiederum der Einfluss auf den aufgenommenen (äußeren) Lagerring 5 im Vergleich zu der Ausführungsform der Lagereinheit 31 ohne Zwischenelement 11 hier deutlich verringert ist. Hier ist optional die Umformkante (innenseiitig) nicht nur axial mit dem Zwischenelement in unmittelbarem (kraftübertragenden) Kontakt, sondern auch radial Zwischenelement in unmittelbarem Kontakt (spielfrei oder auf Pressung).
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In 3 ist ein Schaltgetriebe 16 mit einem Axialkraftaktor 2, hier mit integrierter Antriebsmaschine 26 (hier optional ein Elektromotor), gezeigt, wobei hier mittels eines Schaltmechanismus 25, welcher hier eine Schaltgabel und eine Schaltmuffe 36 umfasst, eine Mehrzahl von (hier drei) rein schematisch dargestellten Getriebegängen 22,23,24, einlegbar sind. Die Schaltgabel weist ein muffenseitiges Hebelende 38 auf, welches mit der Schaltmuffe 36 im Eingriff steht, und ein aktorseitiges Hebelende 37 auf. Die Schaltgabel ist um einen Hebellager 39 verschwenkbar. Zum Betätigen des Schaltmechanismus 25 ist ein Spindeltrieb 17 vorgesehen, welcher hier mit einer axial bewegbaren Spindelmutter 19 auf das aktorseitige Hebelende 37 der Schaltgabel einwirkt. Die Spindelmutter 19 wird von einer um die Rotationsachse 4 rotierbaren Spindel 18 bewegt, wobei die Spindel 18 mittels einer Lageranordnung 20, beispielsweise eine Fest-Los-Lageranordnung, (mittelbar) in dem Lagergehäuse 8 des Axialkraftaktors 2 reibungsarm gelagert ist. Die Lageranordnung 20 umfasst eine Lagereinheit 1, welche in der Darstellung rechts angeordnet ist und mittels welcher eines Kronenrads 44 die Spindel 18 auf der einen (darstellungsgemäß rechte) Seite rotierbar gelagert ist und axial gehalten ist. Weiterhin umfasst die Lageranordnung 20 ein Spindellager 45, welches hier (optional) beispielsweise als Gleitlager ausgeführt ist. An dem Radiaxlager 3 der Lagereinheit 1 wirken Axialkräfte 7 einmal von dem Schaltmechanismus 25 und zudem von dem hier (optional) um rechtwinklig umgelenkten Drehmomentverlauf mittels des Kronenrads 44. Das Kronenrad 44 ist mit einem Ritzel 42 der Antriebswelle 41 der Antriebsmaschine 26, welches um die Maschinenachse 46 zur Drehmomentabgabe rotierbar ist, antreibbar. Das Ritzel 42 ist (entsprechend den getriebebedingten Axialkräften 7 auf das Kronenrad 44) gegen Radialkräfte mittels eines Ritzellagers 43 in dem Lagergehäuse 8 reibungsarm abgestützt.
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In 4 ist rein schematisch ein Kraftfahrzeug 30 mit einem Antriebsstrang 21 in einer Draufsicht gezeigt, wobei in einer Quer-Front-Anordnung eine Antriebsmaschine 26, beispielsweise ein Elektromotor, mit seiner Motorachse 50 quer zu der Längsachse 49 und vor der Fahrerkabine 48 des Kraftfahrzeugs 30 angeordnet ist. Der Antriebsstrang 21 ist zum Antreiben einer Vorderachse 47 des Kraftfahrzeugs 30 eingerichtet, sodass ein Vortrieb mittels des linken Vortriebsrads und des rechten Vortriebsrads mittels einer Drehmomentabgabe von der Antriebsmaschine 26 ermöglicht ist. Rein schematisch ist hier dargestellt, dass die Maschinenwelle 27 der Antriebsmaschine 26 zur Drehmomentabgabe an die Vorderachse 47 mittels eines ersten Getriebegangs 22 oder mittels eines zweiten Getriebegangs 23 mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen verbindbar ist. Der Axialkraftaktor 2 zum Einlegen des ersten Getriebegangs 22 beziehungsweise des zweiten Getriebegangs 23 ist hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt und beispielsweise wie in 3 dargestellt ausgeführt.
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Mit der hier vorgeschlagenen Lagereinheit ist eine Axialkraft aufnehmende Sicherung auf geringem axialen Bauraum schaffbar, wobei die Lagerlaufflächen nur vernachlässigbar deformiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lagereinheit
- 2
- Axialkraftaktor
- 3
- Radiaxlager
- 4
- Rotationsachse
- 5
- äußerer Lagerring
- 6
- innerer Lagerring
- 7
- Axialkraft
- 8
- Lagergehäuse
- 9
- Lagersitz
- 10
- Umformkante
- 11
- Zwischenelement
- 12
- kantenseitiger Durchmesser
- 13
- sitzseitiger Durchmesser
- 14
- Außenkante
- 15
- Ringkante
- 16
- Schaltgetriebe
- 17
- Spindeltrieb
- 18
- Spindel
- 19
- Spindelmutter
- 20
- Lageranordnung
- 21
- Antriebsstrang
- 22
- erster Getriebegang
- 23
- zweiter Getriebegang
- 24
- dritter Getriebegang
- 25
- Schaltmechanismus
- 26
- Antriebsmaschine
- 27
- Maschinenwelle
- 28
- linkes Vortriebsrad
- 29
- rechtes Vortriebsrad
- 30
- Kraftfahrzeug
- 31
- Lagereinheit ohne Zwischenelement
- 32
- minimale Toleranzabweichung
- 33
- maximale Toleranzabweichung
- 34
- (äußere) Lagerlauffläche
- 35
- Wälzkörper
- 36
- Schaltmuffe
- 37
- aktorseitiges Hebelende
- 38
- muffenseitiges Hebelende
- 39
- Hebellager
- 40
- Antriebsmotor
- 41
- Antriebswelle
- 42
- Ritzel
- 43
- Ritzellager
- 44
- Kronenrad
- 45
- Spindellager
- 46
- Maschinenachse
- 47
- Vorderachse
- 48
- Fahrerkabine
- 49
- Längsachse
- 50
- Motorachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012206678 A1 [0039]
