DE19706686A1 - Planetenradlagerung für Planetengetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die konstruktive Gestaltung der Lager­ elemente von Planetenrädern innerhalb des Planetenträgers von Planetengetrieben. Vordringlich sind dabei die Probleme von solchen Planetengetrieben berücksichtigt, bei welchen auf­ grund übergeordneter Einbaubegrenzungen eine große Leistungs­ dichte gefordert wird, z. B. Planetengetriebe, welche in die Radnaben von Fahrzeugachsen eingebaut sind.

In der Regel ist für diesen Anwendungsfall die Planetenradla­ gerung so ausgeführt, daß ein Wälzlager in Form von Nadel- oder mehrreihigen Rollenlagern in einer zylindrischen Bohrung des Planetenrades angeordnet ist, wobei die Bohrungswand un­ mittelbar als äußere Wälzbahn ausgenutzt wird und als innere Wälzbahn ein zylindrischer Lagerbolzen vorgesehen ist. Dazu wird am häufigsten eine geschlossene Form für den Planetenträ­ ger verwendet, welcher dann im wesentlichen zwei Ringschei­ ben aufweist, welche am äußeren Umfang durch Schubstege ver­ bunden sind. Die Planetenräder sind zwischen den Ringscheiben eingesetzt und die Lagerbolzen werden beidseitig in den Ring­ scheiben gestützt. Diese Konstruktion ist zwar hinsichtlich der Beanspruchung der Lagerbolzen optimal, hat aber den Nach­ teil, daß die Herstellung des Planetenträgers relativ aufwen­ dig ist und daß wegen des Platzbedarfes für die Schubstege bei einer ausgewogenen Auslegung nur maximal vier Planetenräder untergebracht werden können.

Eine andere aus dem Anwendungsbereich bekannte Konstruktion verwendet einen offenen Planetenträger, welcher nur aus einer Ringscheibe besteht, in welche die Lagerzapfen fliegend ein­ gesetzt sind. Solche Planetengetriebe sind Gegenstand der Druckschriften DE-30 46 934, DE-40 30 220 und DE-44 21 427. Aus dieser fliegenden Planetenradanordnung ergeben sich zwei wesentliche Vorteile: a) der ganze Planetenteilkreis kann mit Planetenrädern besetzt werden, weil keine Schubstege erforder­ lich sind; b) die offene Form des Planetenträgers bietet mehr Freiheit in der Wahl des Herstellverfahrens und vereinfacht die mechanische Bearbeitung. Dem steht aber als schwerwiegen­ der Nachteil die ungünstige Beanspruchung der Lagerzapfen und deren elastische Verformung entgegen. Diese elastische Verfor­ mung der Lagerzapfen verursacht Fluchtungsfehler in den Wälz­ bahnen der Wälzlager und in den Zahneingriffen, so daß die prak­ tisch erreichbare Lebensdauer wesentlich kleiner ist als die theoretisch errechnete. Aber auch bei der beidseitigen symme­ trischen Lagerbolzenstützung ergeben sich noch infolge der Bolzenverformung und der Schubverformung am Planetenträger die genannten Fluchtungsfehler, allerdings in einer kleineren Größenordnung.

Auf der Grundlage des Konstruktionsprinzips mit offenem Pla­ netenträger und fliegender Planetenradlagerung liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, die aus der unvermeidbaren Bau­ teilverformung resultierenden nachteiligen Auswirkungen auf die Lager- und Zahnradlebensdauer weitgehend auszuschalten.

Die Lösung des Problems geht aus den kennzeichnenden Merkma­ len des Anspruches 1 hervor.

Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen sind mit den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 10 ange­ geben.

Bei den Betrachtungen zum Stand der Technik ist bereits er­ wähnt, daß ein offener Planetenträger mit fliegend eingesetz­ ten Lagerzapfen wesentliche Vorteile bezüglich Werkstoffwahl und Herstellung bietet. Die dabei auftretenden Nachtei­ le - Fluchtungsabweichungen in den Planetenradlagern und in den Zahneingriffen infolge von Biege- und Schubverformungen der Lagerzapfen - werden mit den erfindungsgemäßen Mitteln voll­ ständig beseitigt. Durch die kardanische Radialstützung der Lager-Innenlaufringe auf den Lagerzapfen werden die Zapfenver­ formungen nicht mehr auf die Lager und die Planetenzahnräder übertragen. Die axialspielfreie Einklemmung der Innenlauf­ ringe erlaubt eine exakte planparallele Verschiebung der Pla­ netenräder. Damit wird nun - im Gegensatz zum Stand der Tech­ nik - die Möglichkeit eröffnet, die Lagerzapfen absichtlich extrem biegeelastisch auszubilden mit dem Ziel, daß ferti­ gungsbedingte Teilungs- und Richtungsfehler - innerhalb der zulässigen Toleranzabweichungen - ausgeglichen und Stoßbelas­ tungen gedämpft werden. Die Tragfähigkeit der Lager und der Zahnräder wird dadurch optimal ausnutzbar.

Da am Planetenträger zwischen den Planetenrädern Schubstege nicht benötigt werden, kann der ganze Planetenteilkreis mit Planetenrädern besetzt werden. Bei einer ausgewogenen Getrie­ beauslegung können mindestens sechs Planetenräder mit klei­ nerer Breite angeordnet werden. Bei vorgegebenem Radialmaß wird dadurch die axiale Baulänge verkürzt; außerdem ergibt sich ein günstigeres Belastungsbild am innenverzahnten Hohl­ rad.

Ein konkretes Anwendungsbeispiel der Erfindung wird anschließend beschrieben, wobei auf folgende zeichnerische Darstellun­ gen Bezug genommen wird:

Fig. 1 Halber Längsschnitt durch ein Radnaben-Planetengetrie­ be; Schnitt durch ein Planetenrad.

Fig. 2 Zu Fig. 1, jedoch Schnitt zwischen den Planetenrädern.

Fig. 3 Schema-Ansicht zur Planetenradanordnung.

Fig. 4-Fig. 8 Vergrößert dargestellte Längsschnitte durch ein Planetenradlager mit Ausführungsvarianten für den Innenlaufring und die Wälzkörperführung.

Zu Fig. 1: Die Zeichnung zeigt einen Halb-Längsschnitt eines Radnaben-Planetengetriebes für eine Nutzfahrzeugachse - die nicht zum Erfindungsumfang gehörenden Schnitteile sind darin mit Strich-Punkt-Linie dargestellt. Dem Beispiel ist folgender Kraftfluß zugrundegelegt: Der Antrieb erfolgt über die Seiten­ welle 51 und das zentrale Sonnenrad Z1; das Hohlrad Z2 mit Innenverzahnung ist torsions-formschlüssig mit dem ruhenden Achskörper 61 verbunden; abgeleitet wird das Drehmoment über den Planetenträger 40, welcher über das Planetenträgerrohr 41 drehfest mit der Radnabe gekoppelt ist. Planetenträger 40 und -Rohr 41 haben gleichzeitig die Funktion eines umlaufenden Getriebegehäuses, welches mittels des angeschraubten Planeten­ trägerdeckels 42 nach außen abgeschlossen wird. Bei diesem Getriebeaufbau ist das Übersetzungsverhältnis nur abhängig vom Zähnezahlverhältnis von Sonnenrad Z1 und Hohlrad Z2, und zwar i = (Z1 + Z2)/Z1.

Mit der erfindungsgemäßen Planetenradlagerung ist es möglich, den Planetenträger 40 aus einem schweißbaren Werkstoff her­ zustellen, so daß die Verbindung mit dem Planetenträgerrohr 41 mittels Schweißnaht ausführbar ist.

Aufgrund der kardanischen Planetenradstützung auf dem Lager­ zapfen 10 hat die Winkelabweichung der Lagerzapfenachse kei­ nen nachteiligen Einfluß auf das Tragbild der Wälzlager und des Zahneingriffs; deshalb ist für die Befestigung der Lager­ zapfen im Planetenträger 40 keine Preßpassung erforderlich; eine Schiebepassung ist ausreichend, was sich bei der Montage vorteilhaft auswirkt. Außerdem wird vorgeschlagen, die Lager­ zapfen 10 mit der höchstmöglichen Werkstoffestigkeit auf größtmögliche Elastizität auszulegen, wodurch eine günstige Auswirkung auf die Lastverteilung und auf die Laststoßdämp­ fung erreicht wird.

Die Zeichnungen Fig. 2 und Fig. 3 veranschaulichen die Befesti­ gung der Stirnscheibe 43 und die Lage der Befestigungselemente 47, 48, wobei eine Getriebeausführung mit sechs Planetenrädern Z3 zugrundegelegt ist. Die ringförmige Stirnscheibe 43 hat nur die Funktion, die Position der Planetenräder Z3 und der Lagerzapfen 10 in Axialrichtung zu sichern. Sie übernimmt keine Radialstützkraft von den Lagerzapfen und überträgt so­ mit auch kein Drehmoment auf den Planetenträger 40.

Die Anlauf-Ringscheiben 441, 442 gemäß Anspruch 5 sind in der erfindungsgemäßen Form als Ringscheiben nur bei einem of­ fenen Planetenträgersystem - wie der Erfindung zugrundegelegt - an­ wendbar. Sie erfüllen den Zweck, Verschleiß am Planeten­ träger zu verhindern und Reibungsverluste an den Stirnseiten der Planetenräder abzubauen.

Alternativ wird vorgeschlagen, zum gleichen Zweck eine Gleit­ schicht an den Planseiten von Planetenträger 40 und Stirn­ scheibe 43 nach einem Beschichtungsverfahren aufzubringen.

Im betrachteten Beispiel ist die Lauffläche des Innenlauf­ ringes 20 durchgehend zylindrisch ausgeführt,zugunsten einer billigen Feinbearbeitung. Dazu ist ein vollrolliger Wälzkör­ perkranz ohne Käfigführung, jedoch mit Stirn-Anlaufringen 32 vorgesehen. Als Alternativausführung wird ein käfiggeführter Wälzkörperkranz eingesetzt.

Die Längenverhältnisse von Innenlaufring 20, Planetenrad Z3 und Distanzhülse 47 sind so abgestimmt, daß sich für die Pla­ netenräder ein freies Axiallaufspiel ergibt und daß die Innen­ laufringe 20 mit geringer Spannkraft axial eingeklemmt sind. Die Innenlaufringe sollen einerseits entsprechend der Lager­ zapfenverformung planparallel verschiebbar sein, andererseits sich aber nicht mit dem Wälzkörperkranz mitdrehen.

In den Zeichnungen Fig. 4 bis Fig. 7 sind Vorschläge zur Aus­ bildung von Innenlaufring 20 und Wälzkörperkranz 30 angege­ ben, wobei angestrebt wird, daß der Innenlaufring mit dem Wälzkörperkranz als nichttrennbare Lagereinheit komplettiert werden kann, wodurch dann die Getriebemontage wesentlich ver­ einfacht wird. Dazu sind als konstruktive Maßnahmen erforder­ lich: a) die Wälzkörper 30 müssen am Innenlaufring 20 axial fixiert werden, b) die Wälzkörper müssen radial nach außen zu­ sammengehalten werden. Die erfindungsgemäßen Vorschläge dazu gehen aus dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 6 bis 9 hervor.

Im betrachteten Anwendungsfalle ist in der Regel der Einbau­ raum begrenzt und die Planetenwälzlager bilden dabei ein be­ züglich Lebensdauer kritisches Konstruktionselement. Um eine größtmögliche Tragzahl für die Wälzlager zu erreichen, muß eine vollrollige Ausführung angestrebt werden, wobei dann die Parallelführung der Wälzkörper - eine Mindestlänge vorausge­ setzt - an den Hüllmantelflächen erfolgt. Bei einer Ausfüh­ rung nach Zeichnung Fig. 4a wird eine Optimierung zur voll­ rolligen Ausführung in der Weise vorgeschlagen, daß als stirnseitige Käfigborde Kunststoffringe 33 vorgesehen werden, welche mittels dünner Drahtstege 34 axial zusammengehalten werden, wobei letztere jeweils in den äußeren Wälzkörperni­ schen angeordnet sind. Ein Anordnungsschema dazu zeigt Zeich­ nung Fig. 4b. Alternativ dazu ist der Einsatz eines herkömm­ lich käfiggeführten Wälzkörperkranzes vorgesehen.

Die Ausbildung der Innenlaufringe mit Führungsbord 23 - Fig. 4a, Fig. 5, Anspruch 6 und 7 - hat den Vorteil, daß die Ringdicke an den Stirnseiten größer wird. Nachteilig ist die aufwendigere Feinbearbeitung der Lauffläche.

Dieser Nachteil wird eliminiert mit den Weiterbildungen, die in den Zeichnungen Fig. 6 und Fig. 7 - Anspruch 8 und 9 - dar­ gestellt sind, mit stirnseitig an den Innenlaufring 20 an­ gesetzten Bordringen 26, 27. Auch für diese Ausführungen ist der Einsatz sowohl von käfiggeführten Wälzkörpern als auch von vollrolligen, käfiglosen Wälzkörpern vorgesehen.

Bei den Ausführungsvorschlägen Fig. 4 bis Fig. 7 sind an den Stirnseiten der Planetenräder Einzel-Anlaufscheiben 45 ge­ mäß Anspruch 10 vorgesehen - entgegen dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 5. Diese Maßnahme wird damit begründet, daß der Einsatz von Komplettlagern eine andere Montageweise ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Planetenradlagerung ist nicht auf die Getriebekonstruktion des betrachteten Beispieles nach Zeich­ nung Fig. 1 beschränkt. So wird zum Beispiel der Erfindungs­ umfang nicht berührt, wenn in bekannter Weise die Verbindung von Planetenträger 40 mit dem Planetenträgerrohr 41 nicht mittels Schweißnaht sondern mittels eines Schraubflansches erfolgt.

Darüberhinaus sind mit den Mitteln der Erfindung noch folgende bekannte Grundsysteme von Planetengetrieben ausführbar:

• a) der Antrieb erfolgt über das Hohlrad Z2 - vgl. hierzu Zeichnung Fig. 1 -, das zentrale Sonnenrad Z1 ist starr mit dem Achskörper 61 verbunden, der Abtrieb erfolgt auch über den Planetenträger, welcher mit der Radnabe torsionsstarr ver­ bunden ist. Das Übersetzungsverhältnis ergibt sich dann zu i = (Z1 + Z2)/Z2;
• b) der Planetenträger ist starr mit dem Achskörper verbunden, der Antrieb erfolgt über das zentrale Sonnenrad Z1 und der Abtrieb über das Hohlrad Z2, welches dann torsionsstarr mit der Radnabe verbunden ist; das Übersetzungsverhältnis ergibt sich dann zu i = Z2/Z1.

Beide Systeme erfordern jeweils eine andere Form des Planeten­ trägers; die Erfindungsmerkmale von Anspruch 1 bis 10 werden dadurch jedoch nicht berührt. Zur Frage der Montageverfahren muß auch noch berücksichtigt werden, daß verschleißanfällige Getriebeteile ohne aufwendige Rad- und Achsdemontage ausgewechselt werden können. Beim be­ trachteten Beispiel können nach Abnahme des Planetenträger­ deckels 42 die Lagerzapfen 10 nach außen herausgezogen wer­ den, wozu zum Ansetzen eines Werkzeuges eine hinterschnittene Eindrehung 14 am Lagerzapfen vorgesehen ist. Nach dem Heraus­ ziehen des Sonnenrades Z1 können dann die Planetenräder mit Lager durch die zentrale Öffnung des Planetenträgers hindurch ausgewechselt werden.

Um bei jedem der angegebenen Getriebesysteme eine mindest­ erforderliche Ölversorgung für die Planeten-Wälzlager zu ge­ währleisten, ist eine Ölzuführung von der inneren Stirnseite vorgeschlagen. Dazu sind die Durchgangsbohrungen 46 in der Stirnscheibe 43 und die Aussparungen 451 an den Anlaufschei­ ben 45 vorgesehen. Diese sind jeweils im Laufbahnbereich der Wälzkörper angeordnet.

Claims (10)

1. Planetenradlagerung für Planetengetriebe, insbesondere für solche, welche als Radnabengetriebe in Fahrzeugachsen eingebaut sind, wobei die Lagerzapfen einseitig - als flie­ gend bezeichnet - in den axial offenen Planetenträger mit­ tels einer zylindrischen Passung eingesetzt sind, wobei zur Übertragung der Relativdrehung zwischen Planetenrad und ruhen­ dem Lagerzapfen ein Wälzlager vorgesehen ist, dessen Trag­ zentrum mit dem Lastzentrum des Zahneingriffes zusammenfällt und wobei als Außenlaufbahn für die Wälzkörper die zylindri­ sche Bohrung des Planetenrades ausgenutzt wird, gekennzeich­ net durch die Merkmale

• a) als innere Laufbahn für die Wälzkörper (30) ist ein Innen­ laufring (20) vorgesehen, welcher nur mit einem kurzen zylind­ rischen Stützabschnitt (22) im Lastzentrum (FC) auf dem Stütz­ bund (12) des Lagerzapfens (10) radial gestützt und innerhalb eines kleinen Winkelbereiches kardanisch gegenüber dem Lager­ zapfen bewegbar ist;
• b) der Stützbund (12) des Lagerzapfens (10) hat einen kleine­ ren Durchmesser als die zylindrische Zapfeneinpassung am Pla­ netenträger (40) und der Übergang zwischen diesen Lagerzapfen­ abschnitten ist als Kegelhals (11) ausgeführt, wobei der Stützbund (12) mit einer kleinen Durchmesservergrößerung von diesem Kegelhals abgesetzt ist;
• c) der Innenlaufring (20) weist im Bereich des Stützabschnit­ tes (22) eine wesentlich größere Dicke auf als an seinen Stirnseiten und seine gegenüber dem Lagerzapfen (10) freige­ stellten Innenflächen (21) sind gegensymmetrisch zum Stütz­ abschnitt (22) hohlkegelförmig ausgebildet mit etwa dem glei­ chen Kegelwinkel des Kegelhalses (11) (Fig. 1; Fig. 4a).

2. Planetenradlagerung für Planetengetriebe nach Anspruch 1, wobei als axiale Festlegung der Lagerzapfen nach außen ein Planetenträgerdeckel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur axialen Festlegung der Lagerzapfen nach innen eine von radialen Zahnradkräften freigestellte ringförmige Stirn­ scheibe (43) vorgesehen ist, welche mittels der Distanzhül­ sen (47) und der Schrauben (48) mit dem Planetenträger axial starr verbunden ist (Fig. 2; Fig. 3).

3. Planetenradlagerung für Planetengetriebe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lagerzapfen (10) eine als Distanzzapfen (15) ausgeführte Verlängerung auf­ weist, welche einen kleineren Durchmesser hat als der Stütz­ bund (12) und an die Stirnscheibe (43) anschlägt, wobei für die Lagerzapfen (10) ein geringes Axial-Toleranzspiel vor­ gesehen ist.

4. Planetenradlagerung für Planetengetriebe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützbund (12) an je­ dem Lagerzapfen eine ballige Oberfläche aufweist und daß der Übergang zum Kegelhals (11) mit einem Hohlkehlenradius ausge­ führt ist (Fig. 4a; Fig. 5).

5. Planetenradlagerung für Planetengetriebe nach Anspruch 1 bis 4, wobei an den Stirnseiten der Planetenräder Anlauf­ scheiben aus einem Gleitlagerwerkstoff vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Anlaufscheiben an den inneren Planflächen von Planetenträger (40) und Stirnscheibe (43) ge­ schlossene Ringscheiben (441, 442) vorgesehen sind.

6. Planetenradlagerung für Planetengetriebe nach Anspruch 1 bis 5, wobei zur Parallelführung der Wälzkörper ein Lagerkä­ fig vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen­ laufringe (20) an beiden Stirnseiten zur axialen Festlegung der Wälzkörper Führungsborde (23) aufweisen (Fig. 4a).

7. Planetenradlagerung für Planetengetriebe nach Anspruch 1 bis 6, wobei der Wälzkörperkranz in bekannter Weise vollrol­ lig ausgeführt ist und die Parallelführung der Wälzkörper ohne Käfig an der Außenhüllbahn erfolgt, wobei zum Zwecke der Montagevereinfachung der Innenlaufring mit den Wälzkörpern als eine Lagereinheit zusammengefügt ist und wobei die Stirn­ seiten der Wälzkörper eine kurze, im Durchmesser verkleinerte Spurfase aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zur axialen Begrenzung der Wälzkörperbahn Halteringe (24) vorgesehen sind, welche am äußeren Umfang einen Haltebord (241) aufweisen, wel­ cher die Spurfasen (31) der Wälzkörper (30) überdeckt und daß zur axialen Festlegung der Halteringe (24) am Innenlaufring Sicherungsringe (25) vorgesehen sind (Fig. 5).

8. Planetenradlagerung für Planetengetriebe nach Anspruch 1 bis 5, mit käfiggeführten Wälzkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stirnseiten von jedem Innenlaufring (20) Bordringe (26) angesetzt und radial zentriert sind, wobei die Längen­ summe von Innenlaufring und beiden Bordringen gleich ist der Länge des einteiligen Innenlaufringes nach Anspruch 6 und 7 und daß die Stirnborde des Wälzkörperkäfigs (35) die Bord­ ringe (26) radial überlappen und als Axialfixierung wirksam sind (Fig. 6).

9. Planetenradlagerung für Planetengetriebe nach Anspruch 1 bis 5, mit Innenlaufringen und Bordringen nach Anspruch 8, mit vollrolligem, käfiglosem Wälzkörperkranz und mit einer Radialhalterung der Wälzkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Innenlaufring (20) mit den stirnseiti­ gen Bordringen (27) mittels eines axial formschlüssig wirk­ samen Klemmprofiles (272) zusammengesetzt ist und daß zur Radialhalterung der Wälzkörper (30) die Halteborde (271) Teil der Bordringe (27) sind (Fig. 7).

10. Planetenradlagerung für Planetengetriebe nach Anspruch 1 bis 4 und Anspruch 6 bis 9, wobei an den Stirnseiten der Pla­ netenräder Anlaufscheiben aus einem Gleitlagerwerkstoff vor­ gesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufschei­ ben (45) auf den Führungsborden (23) und auf den Bordringen (26, 27) radial zentriert sind und am inneren Lochrand meh­ rere Aussparungen (451) zum Zwecke der Ölzuführung aufweisen und daß die Stirnscheibe (43) im Bereich der Wälzkörperbahnen wenigstens eine Durchgangsbohrung (46) aufweist (Fig. 3, Fig. 4a-Fig. 8).