DE102009024027A1 - Maschinenelement - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft ein Maschinenelement mit zumindest einem rotationssymmetrischen hohlkörperartig ausgebildeten Abschnitt.
- Hintergrund der Erfindung
- Ein derartiges Maschinenelement in Form eines rotationssymmetrischen Planetenbolzens, auf dem ein Maschinenteil in Form eines Planetenrades gelagert ist, ist in
DE 10 2007 031 726 A1 beschrieben. Die Planetenbolzen müssen ein geringes Gewicht aufweisen und sind deshalb innen mit Kammern versehen, die durch stabilisierende Rippen voneinander getrennt sind. Über das Innere der Planetenbolzen, in diesem Fall also über die Kammern, soll Schmieröl zu den Lagerstellen des Planetentriebs geleitet werden. Die Planetenbolzen des Standes der Technik sind deshalb relativ aufwändig herzustellen. - Ein weiteres Maschinenteil der gattungsbildenden Art in Form einer einteilig mit Zahnrädern ausgebildeten Getriebewelle ist in
DE 195 11 963 A1 beschrieben. Die Welle wird durch Kaltumformen mittels Drücken hergestellt. Derartige innen hohle rotationssymmetrische Maschinenelemente aus Blech lassen geringe Freiheiten in der Gestaltung ihrer Formelemente zu, da diese axiale Entformungsöffnungen zum Ab- bzw. Herausziehen vom/des Umformwerkzeug(s) nach den Umformgängen aufweisen müssen. Dem entsprechend sind diese Maschinenelemente verhältnismäßig einfach ausgebildet und müssen in zusätzlichen Bearbeitungsschritten um weitere Funktionselemente ergänzt werden. Die einseitig offenen Zahnräder sind durch den Zahneingriff mit mindestens einem weiteren Zahnrad belastet. Um die entsprechende Steifigkeit der einseitig offenen Zahnräder unter Last zu gewährleisten, muss das Material zu deren Herstellung entsprechend dick ausgelegt sein, so dass relativ hohe Materialkosten und hohe Kräfte beim Umformen entstehen. Letzteres wirkt sich wiederum nachteilig auf die Werkzeugkosten aus. - Aufgabe der Erfindung
- Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Maschinenteil zu schaffen mit dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden können und das einfach und kostengünstig herstellbar ist.
- Beschreibung der Erfindung
- Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
- Das erfindungsgemäße Maschinenelement ist mit wenigstens einem zu seiner Symmetrieachse rotationssymmetrischen Abschnitt versehen, der innen hohl ist. Die Symmetrieachse verläuft axial ausgerichtet. Zumindest der rotationssymmetrische Abschnitt ist aus zwei napfförmig gestalteten Elementen gebildet. Die napfförmig ausgebildeten Elemente verschließen das Maschinenelement endseitig und schließen dabei vorzugsweise einen Hohlraum zwischen sich ein. Die Elemente sind spanlos durch Umformen hergestellt und zu diesem Abschnitt axial aneinander befestigt.
- Napfförmige Elemente sind Elemente mit einem um eine Rotationsachse rotationssymmetrischen Mantel, die an einer Seite mit einem Boden verschlossen sind und die an der dem Boden gegenüberliegenden Seite eine Öffnung aufweisen.
- Der rotationssymmetrische Mantel kann beliebig gestaltet sein, beispielsweise nach außen fassförmig ausgewölbt oder wie ein Hyperboloid nach innen eingewölbt sein. Vorzugsweise ist die Außenkontor jedoch durch eine durchgehende außenzylindrische Mantelfläche oder durch mehrere außenzylindrische Flächenabschnitte unterschiedlichen Durchmessers gebildet und kann alternativ jedoch beliebige Form- und Funktionselemente wie Verzahnungen, Schlüsselflächen, Mehrkantprofile oder ähnliches aufweisen. Alternativ ist die Außenkontur durch Abschnitte gebildet, die Kombinationen von verschiedenen der zuvor genannten Form- und Funktionselementen aufweisen.
- Der Boden ist in seinem Zentrum von der Rotationsachse durchstoßen und konkav nach innen eingewölbt bzw. konvex nach außen ausgewölbt, alternativ scheibenförmig ausgebildet. Der Boden kann alternativ auch konisch ausgebildet verlaufen oder durch mehrere aufeinander folgende zylindrische Abschnitte gebildet sein, die zum Ende des rotationssymmetrischen Maschinenelements hin im Durchmesser immer kleiner werden. Es sind auch Gestaltungen des Bodens denkbar, in denen mehrere der zuvor genannten geometrischen Formen miteinander vereint sind. Der Boden kann zentrisch gelocht sein oder mehrere Löcher aufweisen.
- Die Öffnung ist vorzugsweise durch einen Innendurchmesser beschrieben und dabei bevorzugt von einem hohlzylindrischen Abschnitt eingefasst. Der Durchmesser kann kleiner oder größer als der von innenzylindrischen Abschnitten sein, die zu der Öffnung axial benachbart sind.
- Das Maschinenelement ist aus Elementen zusammengesetzt, die entweder Gleichteile mit zueinander gleichen Formen und Abmessungen sind, oder sind hinsichtlich Formelementen und/oder Abmessungen unterschiedlich zueinander.
- Die Elemente, aus denen das Maschinenelement zusammengesetzt ist, unterscheiden sich hinsichtlich der Werkstoffe aus denen sie gefertigt sind oder sind aus gleichem Material. Bevorzugte Materialien sind Stähle.
- Vorzugsweise sind beide oder mehr als zwei Elemente mit jeweils einer außenzylindrischen Teilfläche versehen, die jeweils zu der des anderen Elements den gleichen Durchmesser aufweisen. Die Elemente sind aneinander so befestigt, dass ein hohles Maschinenelement entsteht. Maschinenelemente sind Elemente wie Wellen, Zahnräder und Zapfen und bevorzugt Planetenbolzen für die Lagerung eines Planetenrades in einem Planetentrieb.
- Die napfförmigen Elemente sind vorzugsweise durch Kaltumformung wie Ziehen, Innenhochdruckumformen, Kneten, Rollieren oder Fließpressen bzw. Kombinationen derartiger Verfahren aus Halbzeugen wie beispielsweise aus Blechen, Rohr oder Stabmaterial aus Stahl hergestellt. Die gehärteten Elemente sind aneinander gefügt. Alternativ wird erst das zunächst aus den ungehärteten Elementen zusammengesetzte zumindest teilweise hohle Maschinenelement gehärtet. Als Materialien für die Elemente eignen sich alle härtbaren Kohlenstoffstähle oder Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, die z. B. nach dem Verbinden durch Schweißen einsatzgehärtet, nitriert oder durch andere geeignete Verfahren gehärtet werden können.
- Die Elemente liegen an der Verbindungsstelle stirnseitig aneinander oder sind an den endseitigen Abschnitten ineinander gesteckt.
- Die außenzylindrische(n) Fläche(n) sind entweder vor oder nach dem Zusammenbau der Elemente zu dem Maschinenelement außen geschliffen. Alternativ verbleibt die Oberfläche der zylindrischen Flächen in der Qualität, die diese nach dem spanlosen Umformen aufweist.
- Prägungen bzw. Löcher in einem oder beiden der Elemente helfen bei der richtungsorientierten Montage. Löcher bilden außer Montagehilfen auch Passagen für Schmieröl. Der Hohlraum kann als Schmierstoffspeicher genutzt werden.
- Die Vorteile derartiger erfindungsgemäßen Maschinenelemente liegen insbesondere in deren einfacher und kostengünstiger Herstellung, im geringen Gewicht und in deren vielseitige Verwendung. Da die Maschinenelemente zusammengesetzt sind, sind relativ komplizierte Konturen mit geringem Aufwand dadurch herstellbar, dass verschiedene einzelne Strukturen der komplizierten Kontur an verschiedenen separat voneinander gefertigten der Elemente hergestellt und dann erst zu dem Maschinenelement mit der komplizierten Kontur zusammengesetzt werden können. Die Elemente sind außerdem nach dem Baukastenprinzip beliebig miteinander zu unterschiedlichen Maschinenelementen kombinierbar.
- Derartige Maschinenelemente sind beispielsweise Wellen von Getrieben, an denen außenzylindrische Abschnitte als Lagerstellen oder Laufbahnen für die Lagerung der Getriebewelle in einem Fahrzeuggetriebe ausgebildet sind und die einteilig mit Zahnrädern sind. Weitere Elemente sind beispielsweise Zahnräder oder Wellenabsätze, die spanlos geformt und dann axial aneinander befestigt sind.
- Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Maschinenelement ein aus mindestens zwei der Elemente zusammengesetzter Planetenbolzen ist, auf dem wenigstens ein Planetenrad (Zahnrad) drehbar gelagert ist. Der zumindest außen zu seiner Symmetrieachse rotationssymmetrische Planetenbolzen weist außen eine außenzylindrische Mantelfläche als Laufbahn wenigstens eines Lagers des Planetenrades auf. Der Planetenbolzen ist aus zwei napfförmigen Elementen zusammengesetzt, die beide spanlos hergestellt sind, direkt aneinander befestigt sind und die einen Hohlraum im inneren des Planetenbolzens begrenzen.
- Die beiden napfförmigen Elemente des Planetenbolzens sind aus einem Mantel und einem Boden gebildet und an ihren Öffnungen mittels Schweißens miteinander verbunden, wobei beliebige bekannte Schweißverfahren zum Verbinden der napfförmigen Elemente angewendet werden können.
- Derartige Planetengetriebe sind gegenüber vergleichbaren Getrieben des Standes der Technik im Gewicht reduziert, da die Planetenbolzen ein geringes Gewicht aufweisen. Da die Planetenräder um eine Zentralachse des Planetentriebes kreisen, sind die Massenkräfte im Planetentrieb aufgrund der verringerten Masse der hohlen Planetenbolzen erheblich reduziert. Aufgrund der endseitig geschlossenen Bauweise sind die Planetenbolzen trotzdem stabil genug. Die Stabilität wird über die Dicke der Wand der hohlen Planetenbolzen bestimmt, die allseitig umlaufend gleich sein kann, aber alternativ auch Abschnitte mit sich voneinander unterscheidenden Wandstärken aufweist.
- Die endseitig geschlossene Bauweise schließt jedoch nicht das Vorhandensein von Löchern aus, durch die Schmieröl in das Innere der Planetenbolzen gelangen und beim Betrieb des Planetengetriebes durch Fliehkrafteinfluss wieder hinaus direkt zur Planetenlagerung geleitet werden kann. Außerdem oder alternativ dazu sind die Löcher Orientierungshilfen bei der Montage der Elemente zum Planetenbolzen bzw. bei der Montage des Planetenbolzens in den Planetentrieb. Alternativ dienen Löcher in dem Planetenbolzen einer Steckverbindung mit einem Sicherungsstift, mit der der Planetenbolzen an einem Planetenträger axial und umfangsseitig gesichert ist.
- Kurze Beschreibung der Zeichnung
- Die Erfindung wird nachfolgen anhand von einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Maschinenelements in einer Seitenansicht, -
2 einen Längsschnitt durch das Maschinenelement entlang der Linie II-II, die die Symmetrieachse des Maschinenelements ist, -
3 die beiden Elemente des Maschinenelements nach1 als Einzelteile, bevor diese miteinander verbunden sind, -
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Maschinenelements, -
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Maschinenelements, -
6 einen Ausschnitt eines Planetentriebs, mit dem die Anordnung eines Planetenrades an einem Planetenträger, in der der Planetenbolzen durch das erfindungsgemäße Maschinenelement gebildet ist und in einem Längsschnitt dargestellt ist und -
7 einen Ausschnitt eines weiteren Planetentriebs, mit dem die Anordnung eines Planetenrades an einem Planetenträger, in der der Planetenbolzen durch das erfindungsgemäße Maschinenelement gebildet ist, in einem Längsschnitt dargestellt ist. - Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
-
1 ,2 und3 –1 zeigt ein Maschinenelement1 , das als ein Planetenbolzen ausgebildet sein kann, in einer Seitenansicht.2 zeigt einen Längsschnitt entlang der Symmetrieachse2 des rotationssymmetrisch ausgebildeten Maschinenelements1 . Das Maschinenelement1 ist aus zwei Elementen3 zusammengesetzt und axial endseitig durch die Böden5 verschlossen. Die Elemente3 schließen gemeinsam einen Hohlraum65 ein. - Die Elemente
3 sind als Einzelteile in3 dargestellt und napfförmig mit rotationssymmetrisch – hohlzylindrischem Mantel4 und konvex – halbkugelförmig ausgeformtem Boden5 ausgebildet und aus dünnwandigem Blech gezogene Gleichteile. Die sich der jeweiligen Öffnung6 anschließende Randzone7 an den Elementen3 ist beschnitten und deshalb rau, da zunächst an dieser ein ziehtechnisch bedingter radial abstehender kragenförmiger Rand ausgebildet war, von dem die Elemente3 nach dem Ziehen befreit werden mussten. - Die Elemente
3 weisen jeweils an dem Mantel4 außen eine außenzylindrisch ausgebildete Teilfläche8 auf, die nach dem formschlüssigen Verbinden der Elemente3 zu dem Bauteil1 und nach dem Außenrundschleifen des Mantels eine gemeinsame außenzylindrische Fläche9 bilden. Durch das Schleifen wird die raue Randzone7 und ein eventueller durch das Verschweißen der beiden Teile miteinander entstandener Wulst entfernt, so dass die Fläche9 entsteht, die eine Laufbahn für die Wälzkörper einer Planetenlagerung bilden kann. -
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Maschinenelements10 , das aus zwei Elementen11 gebildet ist, die in der Ebene12 beispielsweise mittels Schweißverbindung miteinander verbunden sind. Die napfförmigen Elemente11 sind Gleichteile und jeweils aus einem rotationssymmetrischen Mantel13 und einem Boden14 gebildet. Der Boden14 weist eine flache scheibenförmigen Bereich15 und eine umlaufende konvex gekrümmte Zone16 auf, über die der Boden15 und der Mantel13 ineinander übergehen. -
5 zeigt ein Maschinenelement17 , das aus zwei Elementen18 und aus einem Element19 zusammengesteckt ist. Das mittlere Element19 ist hohlzylindrisch. Die beiden äußeren Elemente18 sind napfförmig ausgebildet und verschließen das Bauteil17 endseitig. Die Innenkontur der Elemente ist gestrichelt dargestellt. Der jeweilige gestrichelt dargestellte Rand20 eines jeden der Elemente18 ist radial eingezogen und weist einen zylindrische Sitz21 auf, mit dem das jeweilige Element18 innen in das hohlzylindrische Element19 gepresst ist. Die Elemente18 und19 bilden gemeinsam eine außenzylindrische Mantelfläche22 , die höchstens durch zwei Fugen23 mit geringen Abmessun gen unterbrochen ist. Alternativ ist die jeweilige Fuge23 mit Zusatzwerkstoff durch Schweißen aufgefüllt und mittels Schleifen bis auf das Niveau der Mantelfläche22 geglättet. -
6 zeigt eine Anordnung eines Planetenrads25 , eines nicht weiter dargestellten Planetentriebs in einem Längsschnitt. Die Planetenrad25 ist mittels eines zweireihigen Wälzlagers26 auf einem erfindungsgemäßen Maschinenelement31 in Form eines Planetenbolzens27 drehbar gelagert. Das Planetenrad25 ist beispielsweise ein klassisches Zahnrad mit Stirnverzahnung28 . Das Wälzlager26 weist zwei Reihen Nadeln29 und einen Käfig30 auf. Mit dem nicht näher dargestellten Käfig30 sind die Nadeln29 umfangsseitig und axial zueinander auf Abstand gehalten. Die Nadeln29 wälzen bei Betrieb des Planetentriebs auf einer außenzylindrische Fläche32 ab, die sich aus den Teilflächen33 zusammensetzt. Jeweils eine der Teilflächen33 ist an einer Hälfte des Planetenbolzens27 ausgebildet. Jede der Hälften ist durch ein napfförmig geformtes Element34 gebildet. - Die napfförmigen Elemente
34 weisen jeweils einen hohlzylindrisch ausgebildeten Mantel35 und einen halbkugelförmig gestalteten Boden36 auf und sind an deren Öffnungen37 aneinander liegend miteinander verschweißt. Die Böden36 verschließen den Planetenbolzen27 in beide axialen Richtungen, so dass ein Hohlraum43 gebildet ist, jedoch weist der Planetenbolzen zwei Löcher38 und ein weiteres Loch39 auf. - Das Loch
39 ist im Ausgangszustand jeweils zur Hälfte als z. B. eine halbmondförmige Aussparung an jedem napfförmigen Element34 ausgebildet. Erst wenn die Hälften zusammengeführt werden ist das Loch39 tatsächlich gebildet. Die Löcher38 sind Montagehilfen beim Verbinden der napfförmigen Elemente34 , mit denen abgesichert wird, dass beim Zusammenführen der Hälften die halbmondförmigen Aussparungen genau aufeinander treffen. Dazu können zum Beispiel die beiden napfförmigen Elemente34 in einer Vorrichtung jeweils mittels eines Dornes, der in jeweils eines der Löcher38 eingreift, so zueinander ausgerichtet werden, dass die halbmondförmigen Aussparungen zur Bildung des Loches39 aufeinander treffen. - Der Planetenbolzen
27 ist so in die Wandungen40 bzw.41 eingepresst, dass das Loch39 im Planetentrieb radial nach außen von der nicht dargestellten und in6 unterhalb der Darstellung liegenden Zentralachse des Planetentriebs weg gewandt ist. Die Öffnungen38 sind in entgegengesetzte Richtung offen. Im Betrieb des Planetentriebs wird61 oder Ölnebel in Richtung der Pfeile42 durch die Löcher38 hindurch in den Hohlraum43 gelangen und von dort aus aufgrund der Fliehkraft durch die Öffnung39 hindurch direkt axial zwischen die zwei Reihen Nadeln29 des Wälzlagers26 gefördert. Das Öl gelangt also unmittelbar in den Kontakt zwischen der außenzylindrischen Fläche32 bzw. der innenzylindrischen Laufbahn44 , der axialen Anlaufscheibe45 bzw. der Anlaufbuchse46 jeweils mit den Nadeln29 . - Wenigstens eines der Löcher
38 kann eine Montagehilfen beim Einsetzen des Planetenbolzens27 in den Planetenträger sein. Dazu kann zum Beispiel in einer Vorrichtung zur Montage des Planetenbolzens27 in den Träger ein Dorn in eines der Löcher38 eingreifen und den Planetenbolzen27 mit dem Loch39 radial nach außen gerichtet ausrichten und bis zur Beendigung der Montage in dieser Stellung halten. -
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung eines Planetenrads47 , eines nicht weiter dargestellten Planetentriebs in einem Längsschnitt. Die Planetenrad47 ist mittels eines zweireihigen Wälzlagers48 auf einem erfindungsgemäßen Maschinenelement31 in Form eines Planetenbolzens49 drehbar gelagert. Das Planetenrad47 ist beispielsweise ein klassisches Zahnrad mit Stirnverzahnung50 . Das Wälzlager48 weist zwei axial durch eine Zwischenscheibe52 getrennte Vollrollensätze51 auf. Die Rollen24 der Vollrollensätze51 wälzen bei Betrieb des Planetentriebs auf einer außenzylindrische Fläche53 ab, die sich aus den Teilflächen54 zusammensetzt. Jeweils eine der Teilflächen54 ist an einer Hälfte des Planetenbolzens49 ausgebildet. Jede der Hälften ist durch ein napfförmig geformtes Element55 gebildet. - Die napfförmigen Elemente
55 weisen jeweils einen hohlzylindrisch ausgebildeten Mantel56 und einen halbkugelförmig gestalteten Boden57 auf und sind an deren Öffnungen58 aneinander liegend miteinander verbunden. Die Böden57 verschließen den Planetenbolzen49 in beide axialen Richtungen, jedoch weist der Planetenbolzen zwei Löcher59 und zwei weitere Löcher60 auf. Jeweils die Löcher59 bzw. jeweils die Löcher60 liegen sich an der Rotationsachse61 bzw. der Symmetrieachse des Planetenbolzens49 einander gegenüber. So dass jeweils eines der Löcher59 bzw. radial nach außen und jeweils eines der Löcher60 radial nach innen gerichtet ist. Das radial nach außen gerichtete Loch60 ist mit einem Sicherungsstift62 verschlossen, mit dem der Planetenbolzen49 in dem Planetenträger63 axial und gegen Verdrehen gesichert ist. Das radial gegenüber liegende Loch60 schließt an einen Schmierkanal64 an, durch den entweder bei Betrieb in Richtung des Pfeils66 durch Fliehkraft radial nach außen strömendes61 oder Drucköl in den Hohlraum67 des Planetenbolzens49 und von dort über die Öffnungen59 dem Wälzlager48 zugeführt wird. Bezugszeichen1 Bauteil 34 napfförmiges Element 2 Symmetrieachse 35 Mantel 3 napfförmiges Element 36 Boden 4 Mantel 37 Öffnung 5 Boden 38 Loch 6 Öffnung 39 Loch 7 Randzone 40 Wandung 8 außenzylindrische Teilfläche 41 Wandung 9 außenzylindrische Fläche 42 Pfeil 10 Bauteil 43 Hohlraum 11 Element 44 innenzylindrische Laufbahn 12 Ebene 45 Anlaufscheibe 13 Mantel 46 Anlaufbuchse 14 Boden 47 Planetenrad 15 flacher Bereich 48 Wälzlager 16 konvex gekrümmte Zone 49 Planetenbolzen 17 Bauteil 50 Stirnverzahnung 18 napfförmiges Element 51 Vollrollensatz 19 hohlzylindrisches Element 52 Zwischenscheibe 20 eingezogener Rand 53 außenzylindrische Fläche 21 zylindrischer Sitz 54 Teilflächen 22 Mantelfläche 55 napfförmiges Element 23 Fuge 56 Mantel 24 Rollen 57 Boden 25 Planetenrad 58 Öffnung 26 zweireihiges Wälzlager 59 Loch 27 Planetenbolzen 60 Loch 28 Stirnverzahnung 61 Rotationsachse 29 Nadel 62 Sicherungsstift 30 Käfig 63 Planetenträger 31 Bauteil 64 Schmierkanal 32 außenzylindrische Fläche 65 Hohlraum 33 Teilflächen 66 Pfeil 67 Hohlraum - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007031726 A1 [0002]
- - DE 19511963 A1 [0003]
Claims (8)
- Maschinenelement mit zumindest einem rotationssymmetrischen hohlkörperartig ausgebildeten Abschnitt, bei dem zumindest der rotationssymmetrische Abschnitt aus zwei napfförmig gestalteten Elementen gebildet ist, die das Maschinenelement endseitig verschließen und dabei wenigstens einen Hohlraum einschließen.
- Maschinenelement nach Anspruch 1, an dem die Elemente direkt aneinander befestigt sind.
- Maschinenelement nach Anspruch 1, an dem die Elemente axial miteinander verbunden sind.
- Maschinenelement nach Anspruch 1, an dem jedes der miteinander verbundenen Elemente napfförmig mit einem Mantel und einem Boden gestaltet ist.
- Maschinenelement nach Anspruch 1, an dem wenigstens eines der Elemente zumindest ein Loch aufweist.
- Maschinenelement nach Anspruch 1, an dem wenigstens eines der Elemente außen eine zylindrische und um die Rotationsachse umlaufende Mantelfläche aufweist.
- Planetenbolzen, der das Maschinenelement nach Anspruch 1 ist, wobei der Planetenbolzen außen wenigstens eine außenzylindrische Mantelfläche aufweist, die Laufbahn für die Lagerung eines Planetenrades ist.
- Planetentrieb mit Planetenrädern und mit wenigstens einem Planetenbolzen der das Maschinenelement nach Anspruch 1 ist, wobei auf dem Planetenbolzen zumindest eines der Planetenräder drehbar gelagert ist.
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