DE10006001A1 - Vorrichtung zum Lagern einer Welle - Google Patents

Vorrichtung zum Lagern einer Welle

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Lagern einer Welle in einem Gehäuse, insbesondere einer Abtriebswelle eines Getriebes für Kraftfahrzeuge in einem Getriebegehäuse, wobei die Welle aus Stahl über axial und radial wirkende Lager mit definierter axialer Vorspannung in dem Gehäuse aus Leichtmetall gelagert ist, ist zur Erzielung einer gleichmäßigen Vorspannung über den gesamten Temperaturbereich des Getriebes um die Welle zumindest über einen Teil ihrer wirksamen Dehnungslänge I¶W¶ eine hohle Stützwelle aus einem Werkstoff mit zur Welle unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten mit einer Dehnungslänge I¶S¶ angeordnet, die einerseits die Welle axial abstützt und andererseits mittelbar oder unmittelbar auf das eine Lager der Wellenlagerung wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lagern einer Welle in einem Ge­ häuse, insbesondere einer Abtriebswelle eines Getriebes für Kraftfahrzeuge in einem Getriebegehäuse, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei derartigen Vorrichtungen zum Lagern einer Welle können die unter­ schiedlichen Längenausdehnungen zwischen der Welle aus Stahl und dem Getriebegehäuse aus Leichtmetall problematisch sein, so dass eine gleich­ mäßige Vorspannung der Welle bei größeren Temperaturänderungen nicht gewährleistet ist. Dies kann zum Beispiel bei Geschwindigkeits-Wech­ selgetrieben in Kraftfahrzeugen mit integriertem Differential bei der das An­ triebsritzel für das Differential tragenden Abtriebswelle der Fall sein. Dazu wurden bereits kompensierende Mittel vorgeschlagen, jedoch bleibt dies ein permanentes Problem für den einschlägigen Konstrukteur.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die bei einer robusten Konstruktion eine über einen großen Temperaturbereich gleichmäßige Vorspannung der Welle im Getriebege­ häuse ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.
Der erfindungsgemäße Vorschlag zielt darauf ab, die wirksame Dehnungs­ länge IW der Welle gegenüber der wirksamen Dehnungslänge IG des Getrie­ begehäuses derart anzupassen, dass zumindest annähernd eine einheitliche Längenausdehnung im Bereich der auftretenden Temperaturdifferenzen erreicht wird (die wirksame Dehnungslänge wird durch den Abstand der Axiallager zwischen Welle und Getriebegehäuse bestimmt). Ist der Ausdehnungskoeffizient des Getriebegehäuses (z. B. aus einer Aluminiumlegierung) im wesentlichen doppelt so groß als der der Welle aus Stahl, so ist die Längendifferenz und/oder der Ausdehnungskoeffizient im wesentlichen ebenso einzustellen. Dabei ist bei einem geringeren Ausdehnungskoeffizienten der Stützwelle deren Dehnungslänge IS zu subtrahieren, wodurch im Rahmen der konstruktiven Möglichkeiten die Dehnungslänge IW der Welle entsprechend zu vergrößern wäre. Alternativ kann eine zusätzliche Ausgleichsbüchse oder insgesamt eine Stützwelle mit größerem Ausdehnungskoeffizienten als dem der Welle und ggf. sogar dem des Getriebegehäuses eingefügt sein.
Die Stützwelle kann einen integralen Teil der Welle des Getriebes bilden und dementsprechend Getriebeelemente unmittelbar aufnehmen. Die Stützwelle kann jedoch auch bei koaxial ineinander gelagerten Wellen des Getriebes zwischen diesen beiden Wellen angeordnet sein und deren Längendehnun­ gen quasi hintereinanderschalten, woraus die gesamte Dehnungslänge IWn resultiert, oder aber einen größeren Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und dadurch die entsprechende Lagervorspannung sicherstellen.
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in
Fig. 1 den unteren Abschnitt eines Längsschnittes eines teilweise dar­ gestellten Geschwindigkeits-Wechselgetriebes für Kraftfahrzeuge, mit einer Abtriebswelle und einer Stützwelle, die in einem Getriebegehäuse gelagert sind; und
Fig. 2 die gleiche Ansicht eines Geschwindigkeits-Wechselgetriebes mit zwei koaxial gelagerten Wellen und dazwischen liegender Stützwelle, wobei die von der Wellenmittelachse unterhalb liegende Ausführung die temperaturbedingten Längendehnungen von Welle und Stützwelle hintereinanderschaltet, während die oberhalb der Wellemittelachse dargestellte Ausführung eine Stützwelle mit größerem, etwa dem des Getriebegehäuses gleichem Ausdehnungskoeffizienten darstellt und nur die Stützwelle den Längenausgleich bewirkt.
In der Fig. 1 ist mit 10 ein Geschwindigkeits-Wechselgetriebe mit integriertem Differential bezeichnet, mit einem Getriebegehäuse 12 aus einer Aluminiumlegierung, in dem unter anderem eine Abtriebswelle 14 aus Stahl über Kegelrollenlager 16, 18 in X-Anordnung (vergleiche strichpunktierte Linien) drehbar und mit definierter axialer Vorspannung gelagert ist.
Die Abtriebswelle 14 trägt ein unmittelbar angeformtes Antriebsritzel 15 zum Antrieb des nicht dargestellten Differentiales und mehrere Zahnräder (allgemein mit 24 bezeichnet) als Getriebeelemente zu Übersetzungsänderungen. Das Getriebe 10 ist nur soweit erläutert, als es zum Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Im übrigen kann es bekannter Bauart sein.
Die Kegelrollenlager 16, 18 sind in bekannter Weise in einer Endwand 12a und in einer Zwischenwand 12b des Getriebegehäuses 12 aufgenommen. Der Abstand IG der axial und radial führenden Kegelrollenlager 16, 18 bildet die hier interessierende, wirksame Dehnungslänge IG des Getriebegehäuses 12 (vergleiche die eingezeichneten Hilfslinien).
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, erstreckt sich die Abtriebswelle 14 über das Kegelrollenlager 18 in der Zwischenwand 12b hinaus bis etwa zu der gegenüber liegenden Endwand 12c des Getriebegehäuses 12, wobei deren wirksame Dehnungslänge IW sich erstreckt von der linksseitigen Lagerabstüt­ zung (siehe eingezeichnete Hilfslinie) bis zu deren rechtsseitiger Stirnseite 14a. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die vorgenannten Getriebeelemente 24 über einen auf der Abtriebswelle 14 befestigten federnden Anschlagring 25 axial festgelegt sind.
Koaxial ist auf die Abtriebswelle 14 über eine wirksame Dehnungslänge IS eine hohle Stützweile 20 aus Invarstahl aufgeschoben (z. B. mit Schiebesitz), die mit einem radial nach innen ragenden Ringkragen 20a an der Stirnseite 14a der Abtriebswelle 14 und mit einem radial nach außen weisendem Ringbund 20b über einen Ausgleichsring 22 aus einer Magnesiumlegierung an dem Lagerinnenring 18a des Kegelrollenlagers 18 abgestützt ist.
Die Stützwelle 20 trägt zwei nur teilweise dargestellte Zahnräder 26 als Ge­ triebeelemente ebenfalls zur Übersetzungsänderung des Getriebes 10 und ist in der Endwand 12c im Getriebegehäuse 12 über ein nur radial führendes Rollenlager 28 drehbar, jedoch axial verschiebbar, mit der Abtriebswelle 14 gelagert.
Je nach verwendeten Werkstoffen können z. B. folgende Ausdehnungskoeffi­ zienten (A) vorliegen:
Abtriebswelle 14 aus Stahl 11 × 10-6/K
Stützwelle 20 aus Invarstahl 1,5 × 10-6/K
Ausgleichsring 22 aus Magnesiumlegierung 25 × 10-6/K
Getriebegehäuse 12 aus Aluminiumlegierung 21 × 10-6/K
Die wirksamen Dehnungslängen errechnen sich somit
für die Abtriebswelle 14 mit Stützwelle 20 und Ausgleichsring 22 als drehende Teile nach
IW × A + IAusgleichring22 × A - IS × A
und für das Getriebegehäuse 12
IG × A
wobei die beiden Werte möglichst gleich sein sollten.
Wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich ist, kann der Ausgleichsring 22 ohne weiteres entfallen, wenn für die Dehnungslänge IW der erforderliche Bauraum zur Verfügung steht. Durch den Ausgleichsring 22 ist andererseits jedoch die Dehnungslänge IW der Abtriebswelle 14 entsprechend verringerbar.
Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Geschwindigkeits-Wechselgetriebe 10', wobei funktionell gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Soweit Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 besteht, sind diese Merkmale (z. B. Werkstoffangaben) nicht wiederholt.
Gemäß Fig. 2 in der Ausführung unterhalb der Wellenmittelachse 17 ist die Abriebswelle 14' koaxial mit einer Hohlwelle 32 und der dazwischen liegenden Stützwelle 20' über die Kegelrollenlager 16, 18 in dem Getriebegehäuse 12' drehbar gelagert.
Die Hohlwelle 32 trägt die den Übersetzungsänderungen dienenden, allge­ mein mit 24 bezeichneten Zahnräder bzw. Getriebeelemente und ist über ein Rollenlager 34 und ein Nadellager 36 auf der Abtriebswelle 14' drehbar gelagert.
Die Stützwelle 20' ist mit einem radial nach innen ragenden Ringkragen 38 an einer Ringschulter 40 der Abtriebswelle 14' abgestützt und hintergreift anderenends mit einer radial nach außen ragenden Ringschulter 42 unter Zwischenschaltung eines Nadellagers 35 eine entsprechende ringförmige Ausnehmung 44 der Hohlwelle 32.
Damit überträgt die mit Schiebesitz auf die Abriebswelle 14' aufgeschobene Stützwelle 20' die über die erste Dehnungslänge IW1 auftretenden tempera­ turbedingten Längenänderungen über das axial wirkende Nadellager 35 auf die Hohlwelle 32, die über die zweite Dehnungslänge IW2 ebenfalls den temperaturbedingten Längenänderungen unterliegt. Die Hohlwelle 32 ist axial über eine ausgebildete Ringschulter 32a an dem Innenring 18a des Kegelrollenlagers 18 abgestützt.
Mit Bezug auf die zur Fig. 1 angeführten Werkstoffe mit den genannten Ausdehnungskoeffizienten (A) ergibt sich für die drehenden Teile eine Gesamtdehnungslänge
IW1 = IW2 × A - IS × A
und sollte ungefähr gleich sein dem Wert
IG × A
Selbstverständlich könnte auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unten ein Ausgleichsring 22 zwischen der Ringschulter 32a der Hohlwelle 32 und dem Innenring 18a des Kegelrollenlagers 18 verwendet sein (ggf. auch an anderer Stelle der beschriebenen Dehnungsstrecke). Anstelle von Kegel­ rollenlagern 16, 18 könnten auch andere axial führende Lager, z. B. Anlauf­ scheiben, Axiallager, etc. verwendet sein. Auch die angegebenen Werkstoffe sind nur bevorzugte Ausführungsbeispiele, es können auch andere Werk­ stoffkombinationen verwendet sein; z. B. könnte anstelle der Aluminiumlegie­ rung auch eine Magnesiumlegierung für das Getriebegehäuse 12 vorgese­ hen sein.
In der Ausführung gemäß der oberen Zeichnungshälfte ist die Stützwelle 20" aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung hergestellt und weist damit einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als die Welle 14' bzw. ggf. den gleichen Ausdehnungskoeffizienten als das Getriebegehäuse 12' auf.
Die Stützwelle 20" verläuft innerhalb der Hohlwelle 32' und ist einerseits über ein axial wirkendes Rollenlager 35' und über den Innenring 34a des radial wirkenden Rollenlagers 34 für die Hohlwelle 32' an einer Ringschulter 14b der Welle 14' abgestützt. Anderenends wirkt die Stützwelle 20" unter Zwischenschaltung eines Stahl-Anlaufrings 37 auf eine Ringschulter 32b der Hohlwelle 32'.
Daraus resultiert eine im wesentlichen gleiche temperaturbedingte Längendehnung der Welle 14' mit Hohlwelle 32', wobei durch Relativverschiebung dieser Wellen die Längendehnung IW allein von der Stützwelle 20" bewirkt wird und etwa gleich der Längendehnung IG des Getriebegehäuses 12' sein kann.

Claims (14)

1. Vorrichtung zum Lagern einer Welle in einem Gehäuse, insbesondere einer Abtriebswelle eines Getriebes für Kraftfahrzeuge in einem Getriebegehäuse, wobei die Welle aus Stahl über axial und radial wirkende Lager mit definierter axialer Vorspannung in dem Gehäuse aus Leichtmetall gelagert ist und Mittel zum Ausgleich der temperaturbedingten relativen Längenausdehnungen zwischen Welle und Gehäuse vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass um die Welle (14) zumindest über einen Teil ihrer wirksamen Dehnungslänge IW eine hohle Stützwelle (20) aus einem Werkstoff mit zur Welle (14) unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten und mit einer Dehnungslänge IS angeordnet ist, die einerseits an der Welle (14) axial abgestützt ist und andererseits mittelbar oder unmittelbar auf das eine Lager (18) der Wellenlagerung (16, 18) wirkt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stützwelle (20) und dem einen Lager (18) in die Dehnungslänge IS eine Ausgleichsbüchse (22) mit einem von der Welle (14) und der Stützwelle (20) unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt ist (Fig. 1).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Lager (18) in einer Zwischenwand (12b) des Gehäuses (12) angeordnet ist, dass die Welle (14) sich durch die Zwischenwand (12b) hindurch in Richtung zu einer Endwand (12c) des Gehäuses (12) erstreckt, dass die Stützwelle (20) oder die Welle (14) in der Endwand (12c) axial verschiebbar gelagert ist und dass die Stützwelle (20) zugleich zu Übersetzungsänderungen des Getriebes (10) dienende Getriebeelemente (26) trägt (Fig. 1).
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass über der Welle (14') eine koaxial gelagerte Hohlwelle (32) angeordnet ist und dass die Stützwelle (20') zwischen der Welle (14') und der Hohlwelle (32) verläuft (Fig. 2).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützwelle (20') derart angeordnet ist, dass sich die Dehnungslängen IW von Welle (14') IW1 und Hohlwelle (32) IW2 addieren (Fig. 2 unten).
6. Vorrichtung nach den Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (32) mit einer angeformten Ringschulter (32a) an dem Innenring (18a) des besagten Lagers (18) abgestützt ist (Fig. 2 unten).
7. Vorrichtung nach den Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungslängen IW1, IW2 und IS ungefähr gleich lang sind (Fig. 2 unten).
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützwelle (20, 20') einen radial nach innen ragenden Ringkragen (20a, 40) zur Abstützung an der Welle (14') und einen nach außen ragenden Ringbund (20b, 42) zur Abstützung mittelbar oder unmittelbar an dem besagten Lager (18) aufweist (Fig. 1 und Fig. 2 unten).
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützwelle (20, 20') aus Invarstahl (Stahl mit hohem Nickelgehalt) hergestellt ist (Fig. 1 und Fig. 2 unten).
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager der Welle (14 bzw. 14' und 32) Kegelrollenlager (16, 18) in X-Anordnung sind (Fig. 1 und Fig. 2).
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (32) an der Welle (14) benachbart dem dem besagten Lager (18) entgegengesetztem Lager (16) über ein Rollenlager (34) radial und über ein Nadellager (35) axial gelagert bzw. abgestützt ist (Fig. 2).
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützwelle (20") einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als die Welle (14') aufweist und dass die Stützwelle (20") einerseits mittelbar oder unmittelbar an einer Ringschulter (14b) der Welle (14) und andererseits an einer Ringschulter (32b) der Hohlwelle (32') abgestützt ist und somit die Dehnungslänge IW definiert (Fig. 2 oben).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützwelle (20") an der Welle (14) unter Zwischenschaltung des Innenringes (34a) des Rollenlagers (34) auf die Ringschulter (14b) der Welle (14') wirkt (Fig. 2 oben).
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützwelle (20") aus Leichtmetall hergestellt ist (Fig. 2 oben).
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