DE4204981A1

DE4204981A1 - Geraeuschfreies losradlager

Info

Publication number: DE4204981A1
Application number: DE4204981A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Dr Giese; Wolfgang Dipl Ing Steinberger
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1992-02-19
Filing date: 1992-02-19
Publication date: 1993-08-26
Also published as: WO1993017252A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zahnräderwechselgetriebe mit wenigstens einem vorzugsweise über ein Nadellager auf einer Getriebe welle gelagerten Zahnrad, welches über ein Kuppelelement mit der Getriebewelle kuppelbar ist, wobei radial zwischen einer der Getriebe welle zugeordneten inneren Laufbahn und einer einer Nabe des Zahnrades zugeordneten äußeren Laufbahn Nadeln in einem Wälzlagerkäfig angeord net sind.

Ein derartiges Zahnräderwechselgetriebe ist beispielsweise durch die OE-PS 2 89 563 aus den 60er Jahren bekannt. Das Zahnrad ist hierbei über ein zweireihiges Nadellager auf der Getriebewelle gelagert. Solche wälzgelagerten Zahnräder werden auch als Losräder bezeichnet. Nach diesem Dokument sind die beiden Nadelreihen in X- bzw. in O- Anordnung vorgesehen, so daß die Nadeln an schräg zur Drehachse des Wälzlagers angeordneten Laufbahnen abwälzen. Mit einer solchen Lage rung wird erreicht, daß Axialkräfte, wie sie bei schrägverzahnten Zahnrädern auftreten, in beiden Richtungen sicher aufgenommen werden.

In diesem Dokument wird angeführt, daß durch die Anordnung der Nadeln auf den kegeligen Laufbahnen infolge der unterschiedlichen Relativge schwindigkeiten der beiden Enden der Nadeln die Lagerreibung geringfü gig erhöht wird, wodurch das Zahnrad im unbelasteten, das heißt im nicht geschalteten Zustand gegenüber der Welle abgebremst wird. Durch diese Maßnahme soll erreicht werden, daß eine von der Fachwelt als Losradkreischen bezeichnete Geräuschbildung unterbunden wird.

Der Wälzlagerindustrie ist bekannt, daß dieses Losradkreischen bei unbelasteten, schnellaufenden Radiallagern, insbesondere Zylinderrol len- und Nadellagern auftritt, die zur Lagerung von Losrädern auf Getriebewellen von Kfz-Getrieben verwendet werden. Im gekuppelten Zustand des Losrades ist das Losrad und damit auch das Radiallager radial belastet, so daß das Losradkreischen nicht auftritt.

Als Ursache des Losradkreischens wird in diesem Dokument der geringe Reibungswert der Nadellagerkäfige angegeben, die bei unbelastet und mit hohen Drehzahlen umlaufenden Zahnrädern infolge des unvermeidli chen Spieles zwischen den Zahnflanken der Zahnräder heulende Geräusche verursachen.

Die Anordnung eines doppelreihigen Nadellagers in X- bzw. O-Anordnung ist jedoch mit Nachteilen behaftet: Erstens erzeugt die oben beschrie bene Reibungserhöhung eine unerwünschte Wärmeentwicklung und zweitens ist die Verwendung eines doppelreihigen Nadellagers aus wirtschaftli chen Gründen nicht praktikabel, da für die Lagerung eines Zahnrades zwei Nadelkränze verwendet werden müssen.

In diesem Dokument wird auch auf andere, bereits durchgeführte Maßnah men hingewiesen, die das Losradkreischen unterbinden sollten. So wurde beispielsweise vorgeschlagen, einige Taschen des Käfigs geringfügig schräg zur Lagerachse anzustellen, damit der Käfig abgebremst bzw. die Reibung erhöht wird. Da jedoch eine schräg zur Lagerachse angesteuerte Nadel einen Axialschub hervorruft, der den Käfig entlang der Welle wandern läßt, ist es erforderlich, die Taschen abwechselnd nach beiden Seiten so schräg zu stellen, daß die durch die einzelnen Nadeln her vorgerufenen Axialschübe sich gegenseitig aufheben. Diesem Dokument zufolge ist diese Forderung jedoch nicht leicht zu erfüllen, außerdem wird der Nadellagerkäfig hierbei großen verschleißfördernden Belastun gen ausgesetzt.

Das Probelm des Losradkreischens ist bis heute in keiner Weise zu friedenstellend gelöst worden. Etwa 30 Jahre nach der Veröffentlichung des oben genannten Dokumentes erschien 1987 eine Forschungsarbeit auf dem Gebiet des Losradkreischens, die von der NTN-Toyo Bearing Company durchgeführt worden ist. Dieses Dokument ist von der Society of Auto motive Engineers unter der Nummer 0148-7191/87/1019-1923 $ 0250 her ausgegeben worden, und trägt den Titel: Analysis of the Behaviour and Resonant Noise of Needle Roller Bearings Used for Idler Gears in Transmission Applications. In diesem Dokument wird festgestellt, daß das Losradkreischen auf eine sich selbsterregende Schwingung zurückzu führen ist, die von mehreren Parametern abhängig ist. Diesem Dokument zufolge wurden aufwendige Versuche unternommen, die das Phänomen des Losradkreischens beschreiben und klären sollten. Allerdings brachte auch diese Forschungsarbeit kein Ergebnis, wie die Wälzlagerindustrie dieses Problem sicher lösen kann.

In eigenen aufwendigen Untersuchungen wurde ein Modell entwickelt, das zur Klärung der Bildung des Losradkreischens beitragen soll: Im nicht geschalteten, also im unbelasteten Zustand des Zahnrades liegen unter schiedliche Drehzahlen des Zahnrades und der Getriebewelle vor. Bei einer kritischen Drehzahldifferenz kann eine sich selbsterregende Schwingung ausgelöst werden, die von einem Taumeln des Zahnrades begleitet wird. Das Zahnrad verkippt gegenüber der Getriebewelle, wobei die dem Zahnrad zugeordnete äußere Laufbahnen gegen die Enden von zwei sich diagonal gegenüberliegenden Nadeln anschlägt. Die so berührten Nadeln werden schlagartig beschleunigt, bzw. abgebremst, wobei diese Beschleunigung, bzw. die Bremsung über den Nadellagerkäfig auf weitere Nadeln übertragen wird. Gleichzeitig wird das Zahnrad, das während des Anschlagens gegen die Enden der Nadeln einem Impuls ausge setzt ist, aus seiner nun schrägen Drehrichtung gebracht, wobei es die Taumellage verändert und die ihm zugeordnete Laufbahn gegen weitere Nadeln anschlägt. Diese Vorgänge geschehen stoßartig und lösen das Losradkreischen offensichtlich aus. Daraus folgt, daß das Losradkrei schen dann unterbunden wird, wenn der erste Stoßimpuls des Zahnrades gegen die Nadeln erst gar nicht erfolgt, die selbsterregte Taumel schwingung erst gar nicht entstehen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Zahnräderwechselgetriebe die das Losradkreischen stark beeinflußende Taumelbewegung des Zahnrades zu unterbinden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zumindest eine der Laufbahnen in wenigstens einem Umfangsabschnitt eine von ihrer Kreisform abweichende Laufbahnwölbung derart aufweist, daß wenigstens eine der Nadeln zwischen der Laufbahnwölbung und dieser gegenüber liegenden Laufbahn radial elastisch vorgespannt ist.

Da diese elastische Vorspannung eine vom Schaltzustand des Losrades unabhängige radiale Belastung des Nadellagers bewirkt, kann das Los radkreischen nicht mehr auftreten. Der Nadellagerkäfig läuft in der Lagerstelle ruhiger und die Taumelbewegung des Zahnrades wird nicht ausgelöst.

Radial vorgespannte Wälzlager, bei denen zumindest eine der Laufbahnen in wenigstens einem Umfangsabschnitt eine von ihrer Kreisform abwei chende Laufbahnwölbung aufweisen, sind bereits seit Mitte der 50er Jahre bekannt: In den 50er Jahren wurden beispielsweise die Dokumente FR-PS 10 79 848 und die US-PS 29 13 859 veröffentlicht. Die Entwick lung solcher radial vorgespannten Lager wurde in den 60er Jahren fortgesetzt, wobei beispielsweise die US-PS 30 09 748, das DE-GM 69 33 767, das DE-GM 79 78 056 veröffentlicht worden sind. Aus den 70er Jahren ist beispielsweise die FR-PS 20 36 443 bekannt. Die Entwicklung reicht bis in die heutige Zeit hinein, beispielsweise wurde die EP-OS 04 12 870 1991 veröffentlicht.

Keines dieser Dokumente liefert jedoch einen Hinweis auf die mögliche Verwendung eines vorgespannten Radialwälzlagers zur Beseitigung des Losradkreischens in einem Zahnräderwechselgetriebe. Ziel dieser ganzen Entwicklungen war es vielmehr, hochpräzise Zentrierungen mittels dieser Wälzlager zu gewährleisten. Solche vorgespannten Radialwälz lager finden ihre Anwendung beispielsweise als Lenksäulenlager oder zur Lagerung von Wellen von Elektromotoren.

Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmalig ein Zahnräderwechselge triebe vorgeschlagen, bei dem die frei drehbaren Zahnräder mittels radial vorgespannter Wälzlager auf einer Getriebewelle gelagert sind, wobei das Losradkreischen in Zahnräderwechselgetrieben, insbesondere in Kfz-Getrieben, einwandfrei unterbunden wird.

Eine besonders günstige Variante dieses erfindungsgemäßen Zahnräder wechselgetriebes ist in Anspruch 2 vorgeschlagen. In diesem Fall ist die dem Zahnrad zugeordnete äußere Laufbahn an der inneren Mantel fläche einer Hülse mit gleichmäßiger Wanddicke ausgebildet, die mit einer an der Nabe des Zahnrades ausgebildeten zylindrischen Aufnahme verbunden ist, wobei die Hülse zur Bildung der Laufbahnwölbung in Richtung auf die Getriebewelle gewölbt ist. Die elastischen Eigen schaften der Laufbahnwölbung müssen dabei besonderen Anforderungen genügen, wie nachstehend erläutert wird: Einerseits muß die radiale Vorspannung durch die Laufbahnwölbung so groß sein, daß wenigstens eine Nadel im Bereich der Laufbahnwölbung radial belastet ist, ande rerseits muß die Laufbahnwölbung derart elastisch nachgiebig sein, daß sie sich an die zylindrische Aufnahme der Nabe anschmiegen kann. Dies ist dann der Fall, wenn das Zahnrad mit der Getriebewelle gekuppelt wird, und aufgrund eines in das Zahnrad eingeleiteten Drehmomentes eine radial gerichtete Kraftkomponente auf das Zahnrad einwirkt. Da diese Radialkraft stationär ist, die Hülse aber umläuft, durchläuft diese Hülse mit ihrem gesamten Umfang die Wirkungslinie dieser Radial kraft. Wenn nun die Laufbahnwölbung in den Bereich dieser Radialkraft gerät, muß sie dieser Kraft nachgiebig ausweichen und sich an die zylindrische Aufnahme anschmiegen. Anderenfalls würde die Drehachse des Zahnrades sich in radialer Richtung ständig verschieben.

Gemäß Anspruch 3 wird vorgeschlagen, daß die Hülse an ihren Stirn seiten radial nach innen gerichtete Borde aufweist, die in Umfangs richtung durch wenigstens je eine Lücke unterbrochen sind. Jede Lücke wird dabei durch die Bordenden begrenzt. Zwei je an einer der Stirn seiten ausgebildeten Lücken liegen einander gegenüber und der Mantel der Hülse weist zwischen diesen beiden Lücken die Laufbahnwölbung auf. Die radial nach innen gerichteten Borde bewirken, daß die Hülse eine erhöhte Steifigkeit außerhalb der Laufbahnwölbung aufweist.

Zur Vermeidung unerwünschter lokaler Spannungserhöhungen an dem Mantel der so ausgebildeten Hülse wird in Anspruch 4 vorgeschlagen, Freisti che an den Stellen vorzusehen, an denen die Bordenden mit dem Mantel der Hülse zusammentreffen.

Eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung der Laufbahnwölbung besteht nach Anspruch 5 darin, daß der Mantel der Hülse in Umfangsrichtung ausgebildete Schlitze aufweist, wobei je zwei Schlitze in parallelem Abstand einander gegenüberliegen. Diese Schlitze bilden dann ein Schlitzpaar, wobei der Mantel der Hülse zwischen einem Schlitzpaar die Laufbahnwölbung aufweist.

In den Ansprüchen 6 und 7 sind Ausbildungen der Konturen der Laufbahn wölbung vorgeschlagen, die im Querschnitt durch die Hülse gesehen sowohl geradlinig, als auch sichelförmig ausgebildet sein können. Bei einer sichelförmigen Ausbildung geht die Laufbahnwölbung an ihren Umfangsenden kantenfrei in die Kreisform der Laufbahn über.

Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein teilweise dargestelltes Zahnräderwechselgetriebe für ein Kraftfahrzeug,

Fig. 2 einen Querschnitt einer Hülse, die zwischen einem ange deuteten Zahnrad und einer Getriebewelle angeordnet ist,

Fig. 3 in perspektivischer Darstellung eine Hülse mit Lauf bahnwölbungen, wobei die Hülse über einen Nadelkranz auf einer Getriebewelle gelagert ist,

Fig. 4 eine Darstellung wie in Fig. 2, jedoch mit quer ge schnittener vorderer Stirnseite einer weiteren mögli chen Ausbildung einer Laufbahnwölbung.

Das in Fig. 1 dargestellte Kfz-Getriebe 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem eine Getriebewelle 3 und eine Vorgelegewelle 4 über Wälzlager 5, 6 gelagert sind. Auf der Getriebewelle 3 sind frei drehbare Zahnräder 7, die im folgenden als Losräder 8 bezeichnet werden, angeordnet, und Schaltkupplungen 9, über welche die Losräder 8 formschlüssig mit der Getriebewelle 3 verbunden werden. Die Losräder 8 greifen in Zahnräder 10 ein, die auf der Vorgelegewelle 4 angeordnet sind.

Die Losräder 8 sind über Nadelkränze 11, die jeweils aus einem Wälz lagerkäfig 12 und in diesem Wälzlagerkäfig 12 angeordnete Nadeln 13 bestehen, auf der Getriebewelle 3 gelagert.

Zwischen dem Nadelkranz 11 und dem Losrad 8 ist eine Hülse 14 vor gesehen, so daß die Nadeln 13 an Laufbahnen 15, 16 abwälzen, die einerseits an der inneren Mantelfläche 17 der Hülse 14 und anderer seits an der Getriebewelle 3 ausgebildet sind.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Fig. 2 verwiesen, die im Querschnitt durch das Kfz-Getriebe 1 gesehen ein teilweise dargestelltes Losrad 8 zeigt, welches über den Nadelkranz 11 auf der Getriebewelle 3 gelagert ist. Die Nabe 18 des Losrades 8 weist eine zylindrische Aufnahme 19 auf, in die die Hülse 14 eingefügt ist. Die Hülse 14 weist an zwei Umfangsabschnitten Laufbahnwölbungen 20 in Richtung auf die Getriebewelle 3 auf. Diese Laufbahnwölbung 20 ist in radialer Richtung nachgiebig und in diesem Ausführungsbeispiel in etwa sichelförmig ausgebildet, wobei die Umfangsenden 21 der Laufbahnwöl bung 20 kantenfrei in die Kreisform der Laufbahn 15 übergehen.

Mit einer derartigen Anordnung in einem Kfz-Getriebe 1 wird das soge nannte Losradkreischen unterbunden, da der Nadelkranz 11 auch dann radial belastet bleibt, wenn das Losrad 8 nicht geschaltet, also weitestgehend unbelastet ist.

Die die Laufbahnwölbung 20 aufweisende Hülse 14 kann unterschiedlich ausgebildet sein, so zeigt Fig. 3 eine Hülse 14, die an ihren Stirn seiten 22 radial nach innen gerichtete Borde 23 aufweist. Die Borde 23 sind in Umfangsrichtung durch Lücken 24 unterbrochen, wobei jede Lücke 24 in Umfangsrichtung durch die Bordenden 25 begrenzt sind. Zwei je an einer der Stirnseiten 22 ausgebildeten Lücken 24 liegen einander gegenüber und der Mantel der Hülse 14 ist zwischen diesen Lücken radial nach innen geformt, wodurch die Laufbahnwölbung 20 gebildet wird. An der Hülse 14 sind Freistiche 26 an den Stellen vorgesehen, an denen die Bordenden 25 mit dem Mantel der Hülse 14 zusammentreffen. Durch diese Maßnahme sollen lokale Spannungen abgebaut werden.

Die Laufbahnwölbung 20 muß sich aber nicht über die gesamte axiale Länge der Hülse 14 erstrecken. Die in Fig. 4 dargestellte Hülse weist an ihrem Mantel in Umfangsrichtung ausgebildete Schlitze 27 auf, die in parallelem Abstand einander gegenüberliegen und ein Schlitzpaar 28 bilden. Der Mantel der Hülse 14 zwischen diesem Schlitzpaar 28 ist radial nach innen geformt und bildet dadurch die Laufbahnwölbung 20.

Die Anzahl der Laufbahnwölbungen 20 kann bei den hier gezeigten Bei spielen selbstverständlich variieren.

Die Hülsenform ist auch nicht auf die hier gezeigten Ausführungen beschränkt. Die Hülse 14 kann glattzylindrisch sein, wobei die Lauf bahnwölbung 20 sich über die gesamte Länge der Hülse 14 erstreckt, sie kann auch an ihren Stirnseiten 22 durchgängige Borde 23 aufweisen, wobei der Mantel der Hülse 14 über seine gesamte Länge zur Bildung der Laufbahnwölbung 20 radial nach innen gewölbt ist.

Bezugszahlenliste

1 Kfz-Getriebe
2 Gehäuse
3 Getriebewelle
4 Vorgelegewelle
5 Wälzlager
6 Wälzlager
7 frei drehbare Zahnräder
8 Losrad
9 Schaltkupplung
10 Zahnräder
11 Nadelkranz
12 Wälzlagerkäfig
13 Nadel
14 Hülse
15 Laufbahn
16 Laufbahn
17 innere Mantelfläche
18 Nabe
19 zylindrische Aufnahme
20 Laufbahnwölbung
21 Umfangsenden
22 Stirnseite
23 Bord
24 Lücke
25 Bordende
26 Freistich
27 Schlitz
28 Schlitzpaar

Claims

1. Zahnräderwechselgetriebe mit wenigstens einem vorzugsweise über ein Nadellager auf einer Getriebewelle gelagerten Zahnrad, welches über ein Kuppelelement mit der Getriebewelle kuppelbar ist, wobei radial zwischen einer der Getriebewelle zugeordneten inneren Laufbahn und einer einer Nabe des Zahnrades zugeordneten äußeren Laufbahn Nadeln in einem Wälzlagerkäfig angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Laufbahnen (15, 16) in wenigstens einem Umfangsab schnitt eine von ihrer Kreisform abweichende elastisch nachgiebige Laufbahnwölbung (20) derart aufweist, daß wenigstens eine der Nadeln (13) zwischen der Laufbahnwölbung (20) und dieser gegenüberliegenden Laufbahn 16 radial vorgespannt ist.

2. Zahnräderwechselgetriebe nach Anspruch 1, bei der die dem Zahnrad (7) zugeordnete Laufbahn (15) an der inneren Mantelfläche (17) eines ringförmigen Bauteils ausgebildet ist und welches ringförmige Bauteil mit einer an der Nabe (18) des Zahnrades (7) ausgebildeten zylindri schen Aufnahme (19) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Bauteil eine dünnwandige Hülse (14), die mit gleichmäßiger Wanddicke ausgebildet und zur Bildung der Laufbahnwölbung (20) in Richtung auf die Getriebewelle (3) gewölbt ist.

3. Zahnräderwechselgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (14) an ihren Stirnseiten (22) radial nach innen gerich tete Borde (23) aufweist, die in Umfangsrichtung durch wenigstens je eine durch Bordenden (25) begrenzte Lücke (24) unterbrochen sind, wobei sich zwei je an einer der Stirnseiten (22) gebildete Lücken (24) einander gegenüberliegen und der Mantel der Hülse (14) zwischen diesen Lücken (24) die Laufbahnwölbung (20) aufweist.

4. Zahnräderwechselgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Freistiche (26) beispielsweise in Form von kleinen Bohrungen an den Stellen vorgesehen sind, an denen die Bordenden (25) mit dem Mantel der Hülse (14) zusammentreffen.

5. Zahnräderwechselgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel der Hülse (14) in Umfangsrichtung ausgebildete Schlitze (27) aufweist, wobei je zwei Schlitze (27) in parallelem Abstand ein ander gegenüberliegen und ein Schlitzpaar (28) bilden, und welcher Mantel zwischen einem Schlitzpaar (28) die Laufbahnwölbung (20) auf weist.

6. Zahnräderwechselgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahnwölbung (20) im Querschnitt gesehen geradlinig ausge bildet ist.

7. Zahnräderwechselgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahnwölbung (20) im Querschnitt gesehen sichelförmig ausgebildet ist, wobei die Laufbahnwölbung (20) an ihren Umfangsenden (21) kantenfrei in die Kreisform der Laufbahn (15) übergeht.