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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Planetendifferentialgetriebe, insbesondere einem Stirnraddifferential, und noch genauer mit einer neuartigen Stützanordnung für ein Lager eines derartigen Getriebes. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Planetendifferential mit einem Antriebsrad und zwei in einem Planetenträger gelagerten Planetenradsätzen, von denen ein Planetenrad des einen Planetenradsatzes in ein erstes Sonnenrad eingreift und ein Planetenrad des anderen Planetenradsatzes in ein zweites Sonnenrad eingreift, wobei der Planetenträger über zumindest ein Wälzlager an einem Gehäuse radial drehbar und axial positionsbestimmt ist, wobei das zumindest eine Wälzlager eine erste Lagerschale und eine zweite Lagerschale umfasst, die je einen Flanschendabschnitt benachbart zu Laufflächen von Wälzelementen des Wälzlagers aufweisen.
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Nachdem als Differentialgetriebe insbesondere für hohe Kräfte und Momente, wie sie beispielsweise bei Kraftfahrzeugen auftreten, seit rund hundert Jahren Kegelraddifferentialgetriebe verwendet wurden, wurde 2002 von der FZG München ein – an sich ebenso lange bekanntes – Planetendifferential als Stirnraddifferential so weiterentwickelt, dass es bei gleicher Leistung kompakter und leichter war. Dieses Planetendifferentialgetriebe wurde in den folgenden Jahren weiter verbessert.
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Bei derartigen Planetendifferentialen treibt eine Abtriebswelle eines Motors ein Stirn- oder Tellerrad als Antriebsrad an, das zusammen mit einem daran befestigten Planetenträger um die gemeinsame Achse des Planetendifferentials (die gemeinsame Achse von Gehäuse, beispielsweise Stirnrad, Planetenträger und Abtriebswellen des Differentials) drehbar ist. Das über das Stirnrad eingeleitete Drehmoment wird an den Planetenträger abgegeben. Der Planetenträger trägt mindestens zwei über einen Teil ihrer Verzahnungsbreite ineinandergreifende Planetenräder, von denen jedes zudem in eines aus zwei Sonnenrädern des Differentials eingreift. Üblicherweise wird das Drehmoment über mehrere Planetenradpaare übertragen, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Die beiden Sonnenräder sind mit den Abtriebswellen des Planetendifferentials verbunden.
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Beispielsweise zeigt die
WO 2008/110425 A2 ein Planetenraddifferential, das besonders kompakt ausgebildet ist, dessen Bauteile sich einfach herstellen lassen und das sich einfach montieren lässt. Auch die
DE 10 2007 040 478 A1 offenbart ein derartiges Planetendifferential, wobei diese Druckschrift größeren Wert auf Leichtbau bei hoher Drehmomentkapazität legt.
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Die
DE 10 2011 087 581 A1 kann ebenfalls beispielhaft herangezogen werden, um die Funktionsweise von Planetendifferentialgetrieben wie Stirnraddifferentialgetrieben zu erläutern. Die geometrischen und funktionalen Besonderheiten der besagten drei Druckschriften sollen als hier integriert gelten.
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Der Vorteil derartiger Planetendifferentiale ist eine deutliche Verringerung der Baulänge. Insbesondere bei Fronttrieblern, also Fahrzeugen mit angetriebenen Vorderrädern, kann ein Planetendifferential gegenüber einem Kegelraddifferential beachtliche Baulängeneinsparungen von bis zu 75% erzielen. Das bedeutet, dass das Planetendifferential mit einem Viertel der Länge des Kegelraddifferentials auskommt. Dadurch verbleibt mehr Raum für andere Bauteile wie Motor, Getriebe und Kupplungsgehäuse, insbesondere wenn der Motor, wie aus Platzgründen üblich, quer eingebaut ist.
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Obwohl Planetendifferentiale bereits große Einsparungen hinsichtlich Bauraum und Gewicht gebracht haben, wird ihre Entwicklung noch nicht so lange und intensiv wie die Entwicklung von Kegelraddifferentialen betrieben. Daher ist zu erwarten, dass es noch Raum für weitere Verbesserungen der Planetendifferentiale gibt.
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Im vorliegenden Fall haben sich die Erfinder die Aufgabe gestellt, ein an sich bekanntes Planetendifferential, insbesondere in Form eines Stirnraddifferentials, zu verbessern, seine Nachteile zu beseitigen und es insbesondere leichter und kostengünstiger zu bauen, als es nach dem vorstehend genannten Stand der Technik möglich war.
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Diese Aufgabe und weitere für Fachleute aus der vorliegenden Offenbarung ersichtliche Aufgaben werden durch ein Planetendifferential nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Die genante Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste Lagerschale in die zweite Lagerschale eingreift.
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Ein erfindungsgemäßes Planetendifferential weist ein Antriebsrad und zwei in einem Planetenträger gelagerte Planetenradsätze auf. Ein Planetenrad des einen Planetenradsatzes greift in ein erstes Sonnenrad ein, und ein Planetenrad des anderen Planetenradsatzes greift in ein zweites Sonnenrad ein. Der Planetenträger ist über zumindest ein Wälzlager, üblicherweise über zwei oder mehr Wälzlager an einem Gehäuse (8A, 8B) radial drehbar und axial positionsbestimmt. Das zumindest eine Wälzlager umfasst eine erste Lagerschale und eine zweite Lagerschale, die je einen Flanschendabschnitt benachbart zu den Laufflächen aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Differential ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lagerschale in die zweite Lagerschale eingreift. Durch das Eingreifen der ersten in die zweite Lagerschale oder umgekehrt das Umgreifen der ersten Lagerschale durch die zweite wird ein Lager aufgebaut, das trotz zweier vergleichsweise ausladender Lagerschalen einen relativ kleinen Lagerspalt auf der Seite, beispielsweise der Außenseite des Planetendifferentials, erzeugen kann, auf der die erste Lagerschale in die zweite Schale eingreift. Durch den kleinen Spalt kann Schmutz schlechter in das Lager eindringen und zu Verschleiß führen. Andererseits umfassen beide Lagerschalen je für sich einen vergleichsweise großen Raum. Dies hat den Vorteil, dass beim Einlegen von Wälzkörpern wie Kugeln in den Lagerkäfig keine großen Genauigkeiten einzuhalten sind. Daher können die Wälzkörper bei der Montage sehr einfach in einer Lagerschale aufgenommen werden und mit der anderen Schale abgedeckt werden. Dies führt zu einer verbesserten Montagefreundlichkeit.
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Mit anderen Worten überlappen sich erfindungsgemäß die Flanschendabschnitte der Lagerschalen. Wenn die Lagerschalen parallel ausgerichtet sind, können sich die Flanschendabschnitte zweier Lagerschalen überlappen. In diesem Fall kann beispielsweise eine Lagerschale einen Flanschendabschnitt einer zweiten Lagerschale umgreifen. Dadurch erhält der Konstrukteur weitere Freiheiten beim Ausführen einer erfindungsgemäßen Konstruktion. Beispielsweise kann der Außenring mit wenigstens einem Schenkel in das Maul des Innenrings eingreifen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform weisen beide Flanschendabschnitte der ersten Lagerschale in eine axiale Richtung. Weisen beide Flanschendabschnitte der ersten Lagerschale in dieselbe axiale Richtung, kann diese Lagerschale durch einen Umformvorgang (z. B. Tiefziehen eines geeigneten Blechhalbzeugs) mit einem vergleichsweise geringeren Hub und dadurch kürzerer Taktzeit gefertigt werden. Dadurch kann die Lagerschale kostengünstiger hergestellt werden.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lagerschale Flanschendabschnitte aufweist, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Alternativ ist jedoch weiterhin möglich, dass die Flanschendabschnitte der zweiten Lagerschale in einander entgegengesetzte axiale Richtungen weisen. Eine damit verwandte weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Flanschendabschnitte der zweiten Lagerschale in dieselbe axiale Richtung weisen. Selbstverständlich sind die Vorteile, die sich für eine erste Lagerschale wie vorstehend beschrieben ergeben, sowohl bezüglich Ausrichtung der Flanschendabschnitte als auch für die zweite Lagerschale gültig, d. h. in diesem Fall kann diese zweite Lagerschale ebenfalls kostengünstig hergestellt werden. Weisen zudem die Flanschendabschnitte der zweiten Lagerschale in dieselbe axiale Richtung, ergeben sich die vorstehend mit Bezug auf die erste Lagerschale beschriebenen Vorteile auch für die zweite Lagerschale. Werden beide Lagerschalen derart hergestellt, können daher die Massenfertigungskosten weiter minimiert werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist wenigstens ein Lagerring wenigstens eines der Wälzlager einen U- oder C-förmigen Querschnitt auf. Ein solcher Querschnitt ist einfach umformtechnisch in Massenfertigung herzustellen. Gleichzeitig umschließt ein Lagerring in „U”- oder „C”-Form die Wälzkörper und deren Käfig besonders eng, so dass im Regelfall eine sehr kompakte Lagerform entsteht, die wiederum zu einer Verringerung der Baugröße des Endprodukts beiträgt.
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Eine noch andere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz des Innenrings im Gehäuse im Durchmesser größer als der Sitz des Planetenträgers auf dem Außenring und größer als der Teilkreis der Wälzkörper ist. In einer derartigen Ausführungsform ist der Innenring des Lagers radial außerhalb des Teilkreises der Wälzkörper abgestützt, und der Außenring ist radial innerhalb des Teilkreises der Wälzkörper abgestützt. Auf diese Weise kann das Lager kleiner, kompakter und billiger hergestellt werden. Gleichzeitig kann auch Material um das Lager herum gespart werden, da der Lagersitz des Außenrings nahezu auf dem gleichen Durchmesser wie die Laufbahn des Innenrings liegt. In anderen Worten ist der Lagersitz eines Innenrings jedes Wälzlagers maximal um den Durchmesser eines Wälzkörpers weiter außen als der Lagersitz des Außenrings des Wälzlagers angeordnet, und/oder der Lagersitz des Außenrings jedes Wälzlagers maximal um den Durchmesser eines Wälzkörpers weiter innen als der Lagersitz des Innenrings des Wälzlagers angeordnet. Auf diese Weise können die Lager so angeordnet werden, dass sie in radialer Richtung extrem kompakt bauen. Dazu umgreift der Innenring die Wälzkörper teilweise auch außen und/oder der Außenring umgreift die Wälzkörper auch innen. Somit ergibt sich eine radial extrem kompakte Bauweise des Planetendifferentials. Im bekannten Stand der Technik wie in 1 gezeigt wird dagegen sowohl der Innenring als auch der Außenring des Lagers radial innerhalb des Teilkreises der Wälzkörper abgestützt. Dazu werden speziell geformte Innen- und Außenringe umformtechnisch hergestellt und das Lager wie in 1 gezeigt aufgebaut.
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Das Planetendifferential ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass es als Stirnraddifferential ausgebildet ist. Stirnraddifferentiale werden auf Grund ihrer geringen Baulänge und großen Momentenübertragungsfähigkeiten insbesondere bei frontgetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt.
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In einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Planetendifferential dadurch gekennzeichnet, dass der Lagersitz mindestens einer der Lagerschalen durch eine federnde Stützstruktur versteift ist. Die federnde Stützstruktur versteift den Lagersitz einer der Lagerschalen, in der Regel des Außenrings. Durch die federnde Versteifung ist es möglich, mit einem leichten und kostengünstigen Bauteil einen sicheren Sitz zu erzielen. Vorzugsweise ist die federnde Stützstruktur topfförmig ausgestaltet. Eine topfförmige Struktur ist vergleichsweise stabil und kann somit eine hohe Federkraft bei geringem Eigengewicht aufbringen. Zudem kann vorgesehen werden, dass die Stützstruktur mit einem Passsitz am Sonnenrad zusammenwirkt. Um einen solchen Passsitz zu erhalten, können Stützstruktur und Sonnenrad spanend bearbeitet werden. Zum Beispiel kann der innere Durchmesser des U-Profils der Stützstruktur spanend bearbeitet werden, um die topfförmige Führungsstruktur aufzunehmen, die das auch als die Differentialsonne bezeichnete Sonnenrad sowohl axial als auch radial führt. Auf diese Weise kann ein fester Sitz und eine genaue Ausrichtung der Stützstruktur auf dem Sonnenrad erzielt werden. Dadurch kann die Stützstruktur auf dem Sonnenrad ohne weitere das Gewicht erhöhende Bauteile den Lagersitz versteifen. Zudem muss der Passsitz nicht durchgehend spanend bearbeitet sein. Wird ein Absatz belassen, der in eine entsprechende Aussparung des Sonnenrads eingreift, kann dieser die Stützstruktur axial sichern. Selbstverständlich können auch ein Absatz am Sonnenrad und eine Aussparung in der Stützstruktur zum selben Ergebnis führen.
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Weiter vorzugsweise weist die Stützstruktur mehrere Stufen auf. Beispielsweise kann der vorstehend erwähnte „Topf” treppenförmig ausgebildet sein. Eine solche Form kann zum einen zum Anpassen an unterschiedliche Durchmesser, beispielsweise bei Baugruppen, genutzt werden und zum anderen eine noch höhere Stabilität gewährleisten. Besonders bevorzugt ist die Stützstruktur drei- bis sechsstufig, jedoch kann die Stufenanzahl je nach zu überbrückendem Bauraum variieren. Die Festigkeit der Versteifung hängt im Wesentlichen von der Länge und Höhe der „Stufen” ab.
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Die hier beschriebenen Lagerungen können besonders erfolgreich in Planetendifferentialen eingesetzt werden, in denen zwei Wälzlager in O-Anordnung gegeneinander verspannt sind. Die bereits angesprochene Verringerung der Baulänge gegenüber herkömmlichen Kegelraddifferentialen bedingt auch eine Verringerung des Stützlagerabstands von Planetendifferentialen im Vergleich zum Kegelraddifferential. Das könnte mit herkömmlicher schwimmender oder Fest-Loslagerung dazu führen, dass Schwingungen und Kräfte, die beispielsweise von Rädern über die Differentialabtriebswellen oder über die Antriebswelle in das Planetendifferential eingeleitet werden, zu Kippmomenten führen, die das Planetendifferential langfristig beschädigen. Mit herkömmlicher schwimmender oder Fest-Loslagerung ohne geeignete andere Gegenmaßnahmen bedingt dies, dass das Differential, insbesondere seine Lagerung, stabiler und damit in der Regel teurer und schwerer werden muss.
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Um derartige Kippmomente aufzunehmen, wird daher bei einem erfindungsgemäßen Planetendifferential der Planetenträger im Regelfall mit einer angestellten Stützlagerung gegen das Außenrad (Stirn- oder Tellerrad) in einer sogenannten O-Anordnung gelagert. Dies bedeutet, dass je ein Wälzlager auf jeder Seite des Planetendifferentials so angeordnet ist, dass die beiden Lager axial gegeneinander verspannbar sind. Im verspannten Zustand wird ständig auf beide Lager eine axiale Vorspannkraft ausgeübt, die bewirkt, dass sich die Wälzelemente, z. B. Lagerkugeln, Kegel oder Rollen, auf einer gegenüber der Differentialachse schräg geneigten Fläche statt auf einer dazu senkrechten Fläche bewegen. Gleichzeitig sind die Lager radial festgelegt, d. h. auch die Innenlagerschale und die Außenlagerschale erfahren beispielsweise durch Einpressen oder Einklemmen eine Kraft in radialer Richtung. Noch genauer werden die Außenlagerringe axial voneinander weg und die Innenlagerringe axial aufeinander zu gedrückt, so dass die Laufflächen der Wälzelemente auf den Außenlagerringen in axialer Richtung näher zusammen als die Laufflächen auf dem Innenlagerringen liegen. Im Ergebnis wird eine resultierende Kraft auf die Lager ausgeübt, die schräg zu einer Lagerachse verläuft. Diese Kraft wird durch die erfindungsgemäße Leichtbaustützstruktur aufgenommen.
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Dabei liegen die Laufflächen der Wälzelemente in jedem einzelnen Lager so, dass Senkrechte durch die Laufflächen und die Wälzelemente, die entlang der Richtung der vorstehend erläuterten resultierenden Kraft verlaufen, außerhalb der Lager auf der Mittelachse des Differentials (die der Lagerachse entspricht) aufeinandertreffen. Verbindet man diese Senkrechten durch zwei Lager miteinander so, dass sie sich auch (üblicherweise, nämlich bei gleich großen Lagerdurchmessern, in der Mitte) zwischen den Lagern schneiden, so ergibt sich eine Raute als das für diese Anordnung namensgebende „O”. Eine derartige O-Lagerung kann ein größeres Kippmoment aufnehmen als eine Fest-Loslagerung mit gleichem Lagerabstand, da der Abstand der Druckmittelpunkte bzw. Schnittpunkte der genannten Senkrechten auf der Mittelachse des Differentials größer ist als beispielsweise bei einer Fest-Los-Lagerung oder einer schwimmenden Lagerung, bei denen die Laufflächen senkrecht aufeinander und somit die Druckmittelpunkte im Zentrum der Lauffläche liegen. Durch die Aufnahme des größeren Kippmoments wird einer Verformung der gelagerten Elemente durch von außen angreifende Kräfte besser entgegengewirkt. Gleichzeitig wird auch ein leiserer Lauf erzielt und die Lagerlebensdauer erhöht, da ein „Ausschlagen” der Laufflächen auf Grund der Vorspannkraft, praktisch nicht möglich ist.
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Weiter bevorzugt ist die Lagerbreite mindestens gleich groß wie oder größer als der Unterschied zwischen Innen- und Außendurchmesser der Lager. Somit ist der Lagerabstand im Regelfall großer als der Unterschied zwischen Innen- und Außendurchmesser der Lager, was zu einer effektiven Erhöhung des Kippmoments im Vergleich zu einer herkömmlichen Fest-Loslagerung oder schwimmenden Lagerung führt.
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Es hat sich als günstig herausgestellt, wenn die Innen- und Außenringe der Lagerung spanlos hergestellt werden. Spanlose, insbesondere umformtechnische Herstellverfahren sind vor allem in der Massenfertigung kostengünstig, da der Werkstoff effizient ausgenutzt wird, weniger Abfälle als bei spanenden Verfahren entstehen und auch die Werkzeugkosten pro Teil günstiger sind. Insbesondere werden die Rohlinge der Innen- und/oder Außenringe des Wälzlagers bevorzugt durch Kaltumformen eines Blechteils hergestellt. Weiter vorzugsweise weisen beide Rohlinge für die Innen- und Außenringe dieselbe Blechstärke auf und können außerdem aus demselben Material hergestellt sein. Kaltumformen von Blechteilen ist ein äußerst kostengünstiges Massenfertigungsverfahren, das zu einer Verfestigung der Fertigteile führt. Somit ergeben sich bei kaltumgeformten Lagerringen bei geringen Kosten hohe Festigkeiten, was die Belastbarkeit des Lagers erhöht. Wenn beide Rohlinge dieselbe Blechstärke aufweisen, können sie zweckmäßig in einem Umformvorgang gemeinsam hergestellt werden. Falls zudem dasselbe Material verwendet wird, ist es weiterhin möglich, beim Formen von Innen- und Außenring beide Ringe gemeinsam zu formen und beispielsweise durch einen Steg zu verbinden, der bei bzw. kurz vor der Endmontage entfernt wird. Auf diese Weise kann die Montage vereinfacht werden, da vor/bei der Montage weniger Einzelteile vorhanden sind. Werden andererseits unterschiedliche Materialien für Innen- und Außenring verwendet, könnte beispielsweise ein Lager so hergestellt werden, dass ein einfach zu tauschendes Bauteil schneller nachgibt und verschleißt und dadurch das schwieriger zu montierende Teil schützt.
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Vorzugsweise sind die Wälzkörper bzw. Wälzelemente kugelförmig. Zwar ist der erfindungsgemäße Aufbau auch mit Rollen, Zylindern, Kegeln, Tonnen, Nadeln oder anderen Wälzkörpern herstellbar, Kugellager sind jedoch als Massenartikel eine sehr kostengünstige Lösung. Zudem werden vorzugsweise einreihige Lager verwendet. Insbesondere bei Differentialen für herkömmliche Antriebsleistungen, wie sie vor allem bei frontangetriebenen Personenkraftwagen vorkommen, sind mehrreihige Lager oder Lager mit anderen Wälzkörpern, die höhere Belastungen aufnehmen können, nicht notwendig. Somit kann kostengünstig konstruiert werden.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Lagerringe seitlich über dem Bauraum der Wälzkörper hinaustretende Teile eines Lagerkäfigs radial umschließen. Dies ist bei der vorliegenden Erfindung besonders einfach möglich, weil die einzelnen Lagerschalen vergleichsweise große Räume umschließen. Im Allgemeinen sind Wälzkörper in einem Wälzlager in einem Lagerkäfig aufgenommen. Dieser Lagerkäfig verhindert, dass die Wälzkörper aneinanderstoßen und hält sie voneinander in einem gleichmäßigen Abstand, so dass sich die Lagerlast gleichmäßig auf die Wälzkörper verteilt. Dies trägt zu einer erhöhten Lagerlebensdauer bei. Wenn der Lagerkäfig, der in der Regel schwächer als die Lagerringe ausgelegt ist, von den Lagerringen umgriffen ist, ist es schwierig bis unmöglich, den Lagerkäfig durch Einwirkung von außen zu zerstören. Somit wird durch diesen Aufbau die Lebensdauer der Wälzlager und somit des Differentials erhöht.
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Weiter vorzugsweise beträgt die Blechstärke eines Blechteils, aus dem mindestens eine der Lagerschalen, üblicherweise beide Schalen, hergestellt wird, minimal 25% des Wälzkörperdurchmessers. Bei einer ausreichend dicken Lagerschale weist diese genügend Eigenstabilität auf, um selbst dann die Lagerkräfte aufzunehmen, wenn sie nicht direkt an einem weiteren Bauteil abgestützt ist. Wenn beispielsweise aus Platzgründen mindestens eine Lagerlauffläche der Lagerschale nicht abgestützt ist, sondern als freie Fläche vorgesehen ist, muss das Lager selbst die von den Wälzkörpern ausgeübten Druckkräfte elastisch aufnehmen. Dazu benötigt das Blechteil, aus dem das Lager gefertigt wird, eine ausreichende Festigkeit. Diese Festigkeit kann umformtechnisch nach Erfahrungswerten mit einem Blechteil erreicht werden, dessen Stärke ungefähr 25% des Wälzkörperdurchmessers beträgt.
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Außerdem wird bevorzugt, dass sich der Lagerinnenring als eine der Lagerschalen durch seine Seitenwandung oder durch einen zusätzlichen Flansch am Außendurchmesser gegenüber dem äußeren Getriebegehäuse abstützt. Auf diese Weise ist der Lagerinnenring so festgelegt, dass bei der Montage das feste Gehäuse einen definierten Sitz des Innenrings bietet, und die Lagervorspannung über die auf die Außenringe wirkende Verspannung aufbringbar ist. Dies erleichtert die Montage noch weiter, da auf die Außenringe im montierten Zustand einfacher eine justierbare zusammendrückende Kraft aufgebracht werden kann als eine justierbare auseinanderdrückende Kraft auf die Innenringe. Praktisch können dadurch die Innenringe an einen festen Anschlag angelegt werden, während die Außenringe mit einer (hier nicht weiter erörterten) Vorspannvorrichtung beaufschlagt werden.
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Die Erfinder haben weiterhin als günstig erkannt, die erwähnte Stützstruktur so auszulegen, dass mindestens eine Differentialsonne bzw. ein Sonnenrad sowohl axial als auch radial in einer Topfstruktur abgestützt ist. Wenn die erfindungsgemäße Leichtbaustützstruktur die Differentialsonne sowohl radial als auch axial in der Topfstruktur abstützt, müssen weitere Lager der Differentialsonne weniger Kräfte aufnehmen. Somit kann mit einer leichten Stützstruktur ein größerer Effekt hinsichtlich Leichtbaus erzielt werden, weil auch die von den Differentialsonnen fernen Lager der Abtriebswellen geringere Kräfte aufnehmen müssen und folglich leichter sein können.
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Vorzugsweise ist die erwähnte Stützstruktur kaltumformtechnisch aus Blech mit einer Stärke von maximal 1, 5 mm gefertigt. Kaltumformen ist ein gut beherrschbares Massenfertigungsverfahren. Die vorgeschlagene geringe Blechstärke für die Stützstruktur trägt nach den Ergebnissen der Erfinder dazu bei, bei geringem Gewicht und noch guten Stützeigenschaften ausreichend Festigkeit bereitzustellen und gleichzeitig eine bei der Montage wünschenswerte Elastizität zu gewährleisten. Auch die Lagerringe können aus einem (dickeren) Blech kaltumformtechnisch hergestellt werden, wobei die beiden Lagerringe weiter vorzugsweise die gleiche Blechstärke aufweisen und/oder aus demselben Material hergestellt sind.
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Die Blechstärke der Lagerringe bzw. Lagerschalen beträgt nach Erfahrungen der Erfinder vorzugsweise minimal 25% des Wälzkörperdurchmessers. Um dem Druck der Wälzkörper nicht nachzugeben, muss das Lager selbst die von den Wälzkörpern ausgeübten Druckkräfte aufnehmen. Dazu benötigt das Blechteil, aus dem das Lager gefertigt wird, eine ausreichende Festigkeit. Diese Festigkeit kann umformtechnisch nach Erfahrungswerten mit einem Blechteil erreicht werden, dessen Stärke minimal 25% des Wälzkörperdurchmessers beträgt. Außerdem weist die Stützstruktur eine deutlich geringere Blechstärke als das Material des Differentialgehäuses und der Lagerringe auf. Genauer gesagt beträgt die Materialstärke der Stützstruktur erfahrungsgemäß maximal 30% der Stärke der genannten Bleche.
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Außerdem wurde als vorteilhaft erkannt, dass sich der Lagerinnenring durch seine Seitenwandung oder einen zusätzlichen Flansch am Außendurchmesser gegenüber dem äußeren Getriebekörper abstützt.
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Es ist weiterhin von Vorteil, wenn der Außenring in Form eines U-Profils ausgeführt ist, ohne ein zusätzliches Versteifungselement aufzuweisen.
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Die erwähnte Stützstruktur kann radial im Bereich der Laufflächen des Außenrings eingepresst sein.
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Mit anderen Worten ist für die Erfindung wesentlich, dass der Außenring mit einem Schenkel bzw. Flanschendabschnitt in die Kontur (gewissermaßen das „Maul”) des Innenrings eingreift. Dies kann auch umgekehrt so gestaltet sein, dass ein Schenkel des Innenrings in die Kontur des Außenrings eingreift. Dadurch kann mit großen und daher für die Aufnahme der Wälzkörper bei der Montage besser geeigneten Konturen der Außen- und Innenringe die Montage vereinfacht werden. Besonders bei einem trompetenhalsförmigen Gehäuse ist die zusätzlich vorgeschlagene Stützstruktur von Vorteil.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine Stützanordnung für ein Planetendifferential mit Schrägkugellagern in O-Anordnung nach dem Stand der Technik,
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2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Stützanordnung für ein Planetendifferential mit Schrägkugellagern in O-Anordnung nach einer ersten Ausführungsform,
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3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Stützanordnung für ein Planetendifferential mit Schrägkugellagern in O-Anordnung nach einer zweiten Ausführungsform,
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4 einen Schnitt durch ein Lager zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Stützanordnung in der zweiten Ausführungsform gemäß 3,
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5 einen Schnitt durch eine Stützstruktur zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Stützanordnung in der zweiten Ausführungsform, und
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6 einen Schnitt durch eine Stützstruktur zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Stützanordnung in der ersten Ausführungsform gemäß 2.
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1 zeigt eine Stützanordnung für ein Stirnraddifferential als Beispiel eines Planetendifferentials nach dem Stand der Technik im Schnitt. Weil das Stirnraddifferential axialsymmetrisch ist, wird (auch bei den weiteren Figuren) lediglich ein Teil oberhalb der Achse gezeigt. Von unten (der Achse des Abtriebs des Differentialgehäuses) nach oben erkennt man die Differentialsonnen bzw. erste und zweite (in der Figur linke und rechte) Sonnenräder 1A, 1B, die radial im Flansch des Differentialgehäuses abgestützt und über eine Verzahnung 1A1, 1B1 drehfest mit den jeweiligen (nicht gezeigten) Abtriebswellen verbindbar sind.
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Die Sonnenräder 1A, 1B greifen in ineinandergreifende Planetenräder (im Schnitt ist nur ein Planetenrad 2 zu erkennen, das in das Sonnenrad 1A eingreift) ein. Jedes Planetenrad 2 ist in einem Planetenträger 3 über einen Bolzen 4 gelagert. Mit dem Planetenträger 3 ist zudem ein Stirnrad 5 des Differentials fest verbunden. Stirnrad und Planetenträger sind gegenüber den Sonnenrädern 1A, 1B in diesem Stand der Technik mittels zweier Lager 6 und 7, die hier als einreihige Kugellager ausgeführt sind, axial fest, aber drehbar gelagert. Die Lager 6 (in der Figur links) und 7 (in der Figur rechts) bestehen aus je einer Außenlagerschale (einem Außenring) 6A und 7A, einer Innenlagerschale (einem Innenring) 6B und 7B (die gemeinsam als „Lagerringe” bezeichnet werden), mehreren Wälzkörpern bzw. Wälzelementen (jeweils nur ein Wälzkörper, hier eine Kugel 6C, 7C, ist gezeigt) und einem die Wälzkörper umschließenden Lagerkäfig 6D bzw. 7D. Die Lager 6 und 7 sind, wie aus der 1 zu erkennen, im Wesentlichen zueinander spiegelsymmetrisch aufgebaut. Die Lagerflächen liegen dabei, wie aus der 1 zu erkennen ist, ungefähr auf der Höhe des Eingriffs des Planetenrads 2 in das Sonnenrad 1A (bzw. allgemein auf der Höhe des Eingriffs der Planeten- in die Sonnenräder) und gleichzeitig ungefähr auf der Höhe des Umfangs des Planetenträgers 3. Zudem sind die Außenringe 6A, 7A und Innenringe 6B, 7B der Lager 6 und 7 nach innen verlängert, um umformtechnisch günstig herstellbar und gleichzeitig sicher im Stirnraddifferential aufnehmbar zu sein.
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2 zeigt ein Stirnraddifferential mit einer erfindungsgemäßen Lageranordnung. Vergleichbaren Bauteilen werden gleiche Bezugszeichen wie in 1 zugeteilt und hier werden nur die Unterschiede zu der Anordnung nach 1 näher erläutert.
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Bei dieser Ausführungsform fällt im Vergleich zum in 1 gezeigten Stand der Technik zunächst auf, dass der Außenring 7A nicht wie im Stand der Technik nur über die als Wälzelemente dienenden Wälzkörper 7C und den vergleichsweise massiven Planetenträger 3 abgestützt ist, sondern zusätzlich über die (in dieser Ausführungsform mit drei Stufen versehene) Stützstruktur 9 weiter versteift wird. Im Einzelnen stützt sich die Stützstruktur 9 in dieser Ausführungsform auf einem der Sonnenräder 1A, 1B ab und versteift dadurch die Lagerung des Außenrings 7A. Außerdem ist der Außenring 7A so gestaltet, dass er einen Absatz 7E aufweist. Der Absatz 7E kann als Bund gestaltet sein, der beispielsweise wie in der 2 gezeigt auf der Innenseite des Außenrings 7A vorgesehen ist. Es ist möglich, diesen Absatz 7E spanabhebend, spanlos abtragend oder auch umformtechnisch zu fertigen. Gegen diesen Absatz 7A stößt die Stützstruktur 9 mit ihrem äußeren Flanschendabschnitt an und legt dadurch das Lager 7 in Axialrichtung federnd vorgespannt gegen den Flansch des Differentialgehäuses 8 fest.
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Auf diese Weise kann die Lagerung weiter stabilisiert werden, wozu ein im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik sehr leichtes Bauteil eingesetzt wird. Darüber hinaus kann die Stützstruktur – wenn auch begrenzt – federn, wodurch etwaige Stöße, die ansonsten vom Stirnrad nur über die Wälzkörper und Lagerschalen auf die Lagersitze und umgekehrt weitergeleitet werden, durch eine temporäre Verformung der Stützstruktur 9 etwas abgemildert werden können.
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Für die vorliegende Erfindung wesentlich ist jedoch die neuartige Anordnung der Lagerringe bzw. Lagerschalen 6A, 6B und 7A, 7B. Wie aus 2 deutlich wird, ist das Lager 7 (und analog das dem Lager 6 in der 1 entsprechende, hier nicht mit Bezugszeichen versehene Lager auf der linken Seite der Figur) so aufgebaut, dass die Innenlagerschale 7B U-förmig mit einem Abstand zwischen den Flanschendabschnitten 70 und 74 geformt ist, der die Größe der Wälzelemente 7B, also der in 1 bis 3 als Wälzelemente gezeigten Kugeln, deutlich übersteigt. Genauer gesagt ist der Abstand zwischen dem Flanschendabschnitt 70 benachbart zur Lauffläche 72 der Innenlagerschale 7B des Wälzlagers 7 und dem Flanschendabschnitt 74 benachbart zur Außenlauffläche 73 des Wälzlagers 7 deutlich größer als der Durchmesser der als Wälzelemente eingesetzten Kugeln 7B. Dadurch können die Wälzelemente 7B im Lagerkäfig 7D bei der Montage vergleichsweise einfach in die Lauffläche 72 der Innenlagerschale eingelegt werden. Alternativ können die Wälzelemente 7B im Lagerkäfig 7D bei der Montage einfach auf die Lauffläche 73 der Außenlagerschale 7A gelegt werden, die in dieser Ausführungsform als zulaufender Ring gestaltet ist. In beiden Fällen gibt es auf der Seite, auf der die Wälzelemente 7B nicht auf der Lauffläche 72, 73 anliegen, ausreichend Platz, um beispielsweise ein Werkzeug zum Halten der Wälzelemente 7B bei der Montage einzusetzen.
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Wird das Lager 7 (und analog das auf der linken Seite der Figur liegende Lager 6) nach dem Einlegen des Lagerkäfigs 7D und der Wälzelemente 7C zusammengefügt, so greift, wie aus der 2 (und analog aus der 3) ersichtlich ist, der Außenlagerring 7A in das durch die U-Form gebildete „Maul” des Innenlagerrings 7B. Dieses Eingreifen führt dazu, dass der grolle Freiraum, der für die Montage günstig ist, im Betrieb weitgehend abgedeckt ist, so dass kaum Schmutz in das Lager eindringen kann. Daher ist das Lager trotz der vereinfachten Montage schmutzresistent. Zudem ist der Lagerkäfig 7D in dieser Ausführungsform vollständig vom Außenlagerring 7A und dem Innenlagerring 7B umschlossen. Daher kann der vergleichsweise weiche und empfindliche Lagerkäfig nicht durch extern auf das Lager wirkende Kräfte zerstört werden. Obwohl darauf nicht im Einzelnen eingegangen wurde, gelten die hier mit Bezug auf das Lager 7 beschriebenen Vorteile und Merkmale auf Grund des symmetrischen Aufbaus des Differentials auch für das Lager 6.
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3 zeigt eine abgewandelte Anordnung von Lager und Stützstruktur nach einer weiteren Ausführungsform. Wie aus 3 zu erkennen ist, wird hier die Stützstruktur mit nur einer Treppenstufe versehen. Um den in dieser Ausführungsform gleichen Abstand zwischen dem Sonnenrad 1A, 1B und dem Planetenträger 3 wie in der 2 auszugleichen, ist in dieser Ausführungsform der Außenlagerring 7A (und analog auf der hier nicht weiter bezeichneten linken Seite der Figur der Außenlagerring des Lagers 6) ebenso wie der mit Bezug auf 2 bereits beschriebene Innenlagerring ungefähr C- oder U-förmig ausgebildet. Auf diese Weise kann der Innenlagerring ähnliche Vorteile wie der vorstehend mit Bezug auf 2 bereits erläuterte Außenlagerring bieten. Zudem kann das bereits angesprochene Umschließen des Lagerkäfigs 7D durch die Außen- und Innenringe 7A, 7B erfolgen. Schließlich ist es möglich, die Flanschendabschnitte 70 und 75 bei dieser Konfiguration aufeinander auszurichten, was dazu führt, dass der Innendurchmesser beider Lagerringe 7A, 7B gleich ist. Dadurch kann die Montage vereinfacht werden.
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4 zeigt einen vergrößerten Ausbruch eines Lagers 7, das für die Ausführungsform nach 3 einsetzbar ist. Der Innenlagerring 7B ist analog zum Innenlagerring der 2 gestaltet und liegt mit einem nach außen weisenden Flanschendabschnitt 71 am Gehäuse 8 des Planetendifferentials an. Das Lager nach der 4 unterscheidet sich wie vorstehend mit Bezug auf 3 erläutert vom Lager, das in der Ausführungsform nach 2 einsetzbar ist, durch einen im Querschnitt ungefähr U-förmig gestalteten Außenlagerring 7A mit einem Bund 7E. Im Gegensatz zum durch spanendes oder spanloses Abtragen gefertigten Bund 7E nach der 2 könnte der Bund 7E nach der 3 bei geringeren Genauigkeitsanforderungen auch umformtechnisch, insbesondere durch Tiefziehen, hergestellt werden; nach der Ausführungsform wird jedoch, wie durch die umlaufende Kante 79 gezeigt, eine abtragende Nachbearbeitung vorgenommen. Am Bund 7E liegt beim Einbau in ein Planetendifferential wie in 3 gezeigt eine Stützstruktur 9 an, um das Lager axial festzulegen. Auf diese Weise kann man ähnlich wie in 2 ein Planetendifferential schaffen, in dem die Stützstruktur 9 am Bund 7E anliegt. Zudem kann durch die weitgehend umformtechnische, insbesondere kaltumformtechnische Herstellung des Außenlagerrings der Lagerring kostengünstig in Massenfertigung hergestellt werden. Da die auf Innen- und Außenlagerring 6A, 6B, 7A, 7B wirkenden Kräfte ähnlich groß sind, kann weiterhin auch der Innenlagerring parallel zum Außenlagerring aus demselben Material hergestellt werden. Beispielsweise ist es möglich, beide Lagerringe 6A, 6B, 7A, 7B miteinander durch einen Steg verbunden aus einem Halbzeug auszustanzen und anschließend tiefzuziehen. Anschließend kann ein Kugelkäfig nebst Kugeln in eine der Lagerschalen 6A, 6B, 7A, 7B eingesetzt und die andere um den Steg darauf geklappt werden. Spätestens bei der Montage im Planetendifferential wird dann der Steg zwischen den beiden Lagerschalen 6A, 6B, 7A, 7B entfernt. Auf diese Weise kann das Lager 6, 7 bis kurz vor dem Einbau einstückig beibehalten werden, so dass die Montage erleichtert wird.
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Ebenfalls aus 4 gut erkennbar ist, dass die Blechstärke der Lagerringe 7A, 7B (und analog auch der Ringe 6A, 6B) groß genug sein sollte, um die Verspannung der Lager in O-Anordnung abfedern zu können. Gleichzeitig sollte die Dicke und Festigkeit ausreichend sein, um ein Ausschlagen der Lagerringe durch die Wälzkörper zu vermeiden. Diese Forderungen können erfahrungsgemäß erfüllt werden, wenn die Lagerringe 7A, 7B eine Blechstärke aufweisen, die mindestens 25% des Durchmessers der Wälzkörper beträgt. Selbstverständlich kann dieser Wert je nach Festigkeit des Materials der Lagerringe variieren. Zu dünne Lagerringe konnten dazu führen, dass die Verspannung ungenügend wird oder sich die Lagerringe unter Belastung aufbiegen. Sind die Lagerringe (insbesondere bei festem Material) dagegen zu dick, werden die Lager unnötig schwer, zudem ist auch die Fertigung mittels Umformen erschwert.
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5 zeigt im Schnitt eine Stützstruktur 9, wie sie im Planetendifferential nach 3 auf der rechten Seite, d. h. unter dem Lager 7, einsetzbar ist. Diese Stützstruktur kann vergleichsweise einfach umformtechnisch aus relativ dünnen Blechen hergestellt werden. Eine abgeschrägte Einführhilfe 9A erleichtert das Aufsetzen bzw. Aufpressen auf das Sonnenrad 1B und kann zusätzlich dazu dienen, eventuellen Abrieb oder Schmutz aufzunehmen, der beim Aufpressen vor der Stützstruktur her geschoben wird. Daher kann die Stützstruktur sicher so weit auf das Sonnenrad 1B aufgeschoben werden, bis die vorgesehene Anschlagfläche 9B an ihrem Gegenstück am Sonnenrad 1B anstößt. Daher ist die Stützstruktur 9 am Sonnenrad 1B in axialer Richtung genau positionierbar. Weil die Stützstruktur 9 zudem am Bund des Außenlagerrings 7A anschlägt, ist damit diese Außenlagerschale 7A ebenfalls bereits bei der Montage axial bezüglich des Sonnenrads 1B festgelegt. Um die Anschlagfläche 9B der Stützstruktur 9 nicht zu groß werden zu lassen und um die Stabilität der Stützstruktur zu erhöhen, weist die hier gezeigte Stützstruktur 9 zwei Stufen 9D und 9E auf. Würde die Anschlagfläche zu weit nach außen gezogen, würde die Stützfähigkeit der Struktur 9 darunter leiden, da längere gerade Abschnitte zwischen Kanten von Blechstrukturen stärker zum Knicken neigen können.
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Obwohl dies in den Figuren nicht deutlich herausgearbeitet wird, kann neben der durch die umlaufende Kante 79 begrenzten Passfläche des Außenlagerrings auch die Außenseite der Stützstruktur 9 abtragend bearbeitet werden, um die Passung am Außenlagerring 7A zu verbessern. Ebenso könnte die in 5 bezeichnete Innenfläche 9C abtragend bearbeitet werden, um eine verbesserte Passung auf dem Sonnenrad 1B zu erzielen. Allerdings ist bei Verwendung der Stützstruktur 9 die Bearbeitung der Gegenflächen, also der Oberflächen des Sonnenrads 1B und des Lagerrings 7A einfacher durchzuführen, weil an diesen Flächen mehr Material vorhanden ist und folglich ein Abtragen seltener zu Schwierigkeiten hinsichtlich Qualität oder Festigkeit führt.
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Wie bereits erwähnt, wurde hier die Struktur 9 und das Lager 7 genauer erörtert; der Fachmann kann diese Lehre jedoch spiegelbildlich auch auf das Lager 6 übertragen, weshalb davon abgesehen wurde, die Konzeption dieses Lagers in den Ausführungsformen ebenso ausführlich zu erörtern wie die des Lagers 7.
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Analog zu 5 zeigt 6 eine Stützstruktur 9, wie sie im Planetendifferential nach der in 2 gezeigten Ausführungsform auf der rechten Seite, d. h. unter dem Lager 7, einsetzbar ist. Diese Stützstruktur weist im Wesentlichen dieselben Merkmale wie die in 5 gezeigte Struktur auf und kann vergleichsweise einfach umformtechnisch aus dünnen Blechen hergestellt werden. Die abgeschrägte Einführhilfe 9A erleichtert ebenfalls das Aufsetzen auf das Sonnenrad 1B und kann eventuellen Abrieb oder Schmutz aufnehmen. Daher kann die Stützstruktur sicher so weit auf das Sonnenrad 1B geschoben werden, bis die Anschlagfläche 9B am Sonnenrad 1B anstößt. Um bei einem größeren Abstand zwischen der Innenfläche 9C der Stützstruktur und der Außenlagerschale 7A ausreichend Stabilität zu erhalten, weist die Stützstruktur 9 nach der 6 (bzw. der 2) im Gegensatz zur einen Stufe 9D der 5 zwei Zwischenstufen 9D und 9E und somit insgesamt drei Stufen auf.
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Selbstverständlich sind Abwandlungen der Ausführungsformen möglich, die hier nicht im Einzelnen gezeigt sind. So können als Wälzkörper anstelle von Kugeln auch Rollen, Nadeln oder Kegel in den Lagern verwendet werden. Statt der hier gezeigten Bauform des Stirnraddifferentials mit Geradverzahnung kann ein schrägverzahntes Stirnraddifferential und natürlich auch ein Planetendifferential ohne Stirnrad mit der gezeigten Lageranordnung aufgebaut werden. Prinzipiell könnte auch ein Gleitlager auf einer Seite eingesetzt werden, wenn die dadurch zu erwartenden Probleme insbesondere mit dem Losbrechmoment und der Kippsteifigkeit in einem bestimmten Anwendungsfall (beispielsweise im Modellbau bei vergleichsweise geringen Kräften und Momenten) beherrschbar erscheinen.
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Bezugszeichenliste
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- 1A
- erstes Sonnenrad/erste Differentialsonne
- 1B
- zweites Sonnenrad/zweite Differentialsonne
- 2
- Planetenrad
- 3
- Planetenträger
- 5
- Antriebsrad
- 6
- Wälzlager (in Figuren links)
- 6A
- Außenring/Lagerschale (außen)
- 6B
- Innenring/Lagerschale (innen)
- 6C
- Wälzelemente/Wälzkörper/Kugeln
- 6D
- Lagerkäfig
- 7
- Wälzlager (in Figuren rechts)
- 7A
- Außenring/Lagerschale (außen)
- 7B
- Innenring/Lagerschale (innen)
- 7C
- Wälzelemente/Wälzkörper/Kugeln
- 7D
- Lagerkäfig
- 7E
- Absatz
- 8A
- Gehäuse (links)
- 8B
- Gehäuse (rechts)
- 9
- Stützstruktur
- 9A
- Einführhilfe (der Stützstruktur)
- 9B
- Anschlagfläche (der Stützstruktur)
- 9C
- Innenfläche (der Stützstruktur)
- 9D
- Stufe (Zwischenstufe) der Stützstruktur
- 9E
- Stufe (Zwischenstufe) der Stützstruktur
- 70
- Flanschendabschnitt der Innenlagerschale (innen)
- 71
- Flanschendabschnitt der Innenlagerschale (nach außen weisend)
- 72
- Lauffläche Innenlagerschale
- 73
- Lauffläche Außenlagerschale
- 74
- Flanschendabschnitt der Außenlagerschale (außen)
- 75
- Flanschendabschnitt der Außenlagerschale (innen)
- 79
- umlaufende Kante
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/110425 A2 [0004]
- DE 102007040478 A1 [0004]
- DE 102011087581 A1 [0005]
