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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schmierstoffführungseinrichtung zur Unterstützung eines Schmierstofftransfers innerhalb eines Ringspalts, der als solcher zwischen einer Hohlwelle und einer in dieser Hohlwelle koaxial aufgenommenen weiteren Welle besteht, wobei diese beiden Bauteile im Rahmen des Betriebs eines diese Bauteile umfassenden Systems, zueinander um ihre gemeinsame Achse relativ rotieren. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine elektromechanische Antriebseinheit, die mit einer derartigen Schmierstoffführungseinrichtung versehen ist.
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Aus
DE 10 2009 051 002 A1 ist eine elektromechanische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug bekannt, die einen Elektromotor und ein seitlich daran angesetztes Getriebe aufweist. Der Elektromotor umfasst eine Rotorwelle die als Hohlwelle ausgeführt ist. Durch diese Hohlwelle ist eine Radantriebswelle hindurchgeführt, die einseitig an ein Achsdifferential angekoppelt ist, das Bestandteil des seitlich an den Elektromotor angesetzten Getriebes bildet. Im Innenbereich dieser Hohlwelle ist eine Spiralnut ausgebildet. Bei Rotation der Radantriebswelle wird Schmierstoff der in den Zwischenraum zwischen der Radantriebswelle und der Rotorwelle eindringt, aufgrund von Fluidreibungseffekten in dem zwischen der Radantriebswelle und der Rotorwelle definierten Ringraum entsprechend der Orientierung und Steigung der Spiralnut unter Nutzung der Spiralnut als Fluidweg axial verlagert.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen durch welche es möglich wird, innerhalb eines Ringspaltbereich zwischen zwei koaxial geschachtelten Wellenstrukturen ein Ölfördersystem bereitzustellen, das sich durch einen kostengünstig realisierbaren Aufbau und ein vorteilhaftes Förderverhalten auszeichnet.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schmierstoffführungseinrichtung zur Unterstützung eines Schmierstofftransfers innerhalb eines Ringraumes, der als solcher zwischen einer Hohlwelle und einer in dieser Hohlwelle aufgenommenen weiteren Welle besteht, wobei diese beiden Bauteile im Rahmen des Betriebs eines entsprechenden Systems zueinander in einer den Aufbau der Schmierstoffführungseinrichtung bestimmenden Vorzugsrichtung relativ rotieren, wobei in der Hohlwelle oder der Welle eine Nutgeometrie mit wenigstens einer gegenüber einer Mantelaxiallinie angestellten Nut ausgebildet ist, und in diese Nut ein Stegelement eingesetzt ist, das sich über die, an die Nut heranragende Wandung radial in den Ringraum hinein erhebt.
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Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, eine Schmierstoffführungseinrichtung zu schaffen, bei welcher über die Relativdrehung der beiden ineinander gefügten Bauteile eine gegenüber bisherigen Ansätzen erhöhte Förderwirkung erreicht wird indem nicht die Nut, sondern der Ringraum den primär zur Ölförderung beitragenden Querschnitt darstellt. Das Stegelement kann in montagetechnisch vorteilhafter Weise seine Funktionsstellung einhalten, indem dieses selbst durch seine Eigenelastizität in diese Funktionsstellung in der Nut drängt.
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Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Stegelement eine Elastomerstruktur und einen Trägerkern, wobei vorzugsweise diese Elastomerstruktur an den Trägerkern anvulkanisiert ist. Dieser Vulkanisiervorgang kann herbeigeführt werden, indem der Trägerkern durch eine beheizte Extrudermatrize geführt wird und hierbei unter Vernetzung des Elastomer-Ausgangsmateriales vorzugsweise vollumfänglich ummantelt wird. Der Trägerkern kann im Bereich seiner Oberfläche derart behandelt sein, dass sich eine hochfeste Verbindung zwischen dem Elastomermaterial und dem Trägerkern ergibt. Hierzu kann der Trägerkern einer Ätz- oder Sandstrahlbehandlung unterzogen werden und weiterhin auch mit sog. Haftvermittlern beschichtet werden. Das Elastomermaterial ist vorzugsweise ein NPBR-Werkstoff oder ein Silikonkautschuk wie z.B. VITON wie er insbesondere für die Realisierung von Radialwellendichtringen Anwendung findet.
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Der Trägerkern ist vorzugsweise aus einem Metallwerkstoff, insbesondere einem Federstahlmaterial gefertigt. Der Trägerkern kann bereits vor Aufbringung des Elastomermateriales in seine Endform gebracht sein, die Ummantelung erfolgt dann vorzugsweise in einem entsprechenden Formwerkzeug in welches der Trägerkern, vorzugsweise unter elastischer Deformation eingelegt wird. Das Formwerkzeug kann so ausgelegt sein, dass in diesem die Elastomerstruktur in ihrer Sollgeometrie geformt wird. Nach Öffnen des Formwerkzeuges kann sich dann das gebildete Verbundbauteil zunächst unter der inneren Vorspannung des Trägerkernkerns radial weiten, oder ggf. radial einziehen. Es erlangt dann im Rahmen des Einbaus in die Hohlwelle oder im Rahmen des Aufsetzens auf die Welle seine Sollgeometrie und sichert sich durch seine Vorspannung selbst in der entsprechenden Nut an der Innenumfangswandung der Hohlwelle oder der Aussenumfangswandung der in der Hohlwelle sitzenden Welle.
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Alternativ zu der oben beschriebenen Ausgestaltung des Trägerkerns aus einem Metallwerkstoff ist es auch möglich, diesen aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoffmaterial zu fertigen. Hierbei ist es ebenfalls möglich, die Elastomerstruktur mit dem Trägerkern stofflich zu verbinden, insbesondere an diesen im Rahmen eines Spritschrittes anzuspritzen. Der Trägerkern kann auch durch ein Metallverbundmaterial gebildet sein, das beispielsweise einen Federstahlabschnitt und einen duktilen Abschnitt aus einem Buntmetall oder einer Aluminiumlegierung umfasst. Es ist auch möglich, den metallischen Abschnitt als U-Profil auszubilden in welchem eine elastomere Lippe geklemmt oder in das Profil eingebördelt ist.
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Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Elastomerstruktur hinsichtlich ihrer Querschnittsgeometrie derart gestaltet, dass diese wenigstens eine Dichtlippe, oder ein Paar paralleler Dichtlippen bildet. Die Gesamtdimensionierung kann so gewählt sein, dass die Dichtlippe mit einer definierten Druckkraft an der Gegenfläche anliegt. Es ist auch möglich, die Gesamtdimensionierung so abzustimmen, dass die Dichtlippe auf die Gegenfläche keinen signifikanten Druck ausübt, oder zu dieser einen Restspalt frei lässt. Geringe Anpressdrücke und ggf. ein Restspalt werden vorzugsweise für Systeme vorgesehen, bei welchen hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen der Hohlwelle und der darin sitzenden Welle auftreten können. Höhere Dichtlippenkontaktkräfte werden bei Anwendungen mit niedrigeren Relativgeschwindigkeiten vorgesehen.
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Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich wie oben schon ausgeführt für Applikationen, bei welchen die Dichtlippe an der der Nut gegenüberliegenden, zylindrischen Wandung anläuft. Diese Wandung kann die zylindrische Innenwandung der Hohlwelle sein, sie kann auch die zylindrische Umfangswandung der Welle sein.
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Sofern die erfindungsgemäße Schmierstoffführungsstruktur in einer Nut sitz, die in der Außenumfangswandung der inneren Welle ausgebildet ist, ist das Stegelement vorzugsweise derart ausgebildet, dass dieses unter radialer Weitung in der Nut sitzt, d.h durch seine Eigenelastizität in einen Zustand mit kleinerem Durchmesser drängt. Diese Variante ist fertigungs- und montagetechnisch vorteilhaft.
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Sofern die erfindungsgemäße Schmierstoffführungsstruktur in einer Nut sitz, die in der Innenumfangswandung der Hohlwelle ausgebildet ist, ist das Stegelement vorzugsweise derart ausgebildet, dass dieses unter radialer Stauchung in der Nut sitzt. Diese Variante ist insbesondere für hohe Drehzahlen der Hohlwelle vorteilhaft, da die am Stegelement angreifenden Radialkräfte das Stegelement in die Nut hinein drängen.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
- 1 eine Axialschnittdarstellung durch ein Antriebssystem in welchem die erfindungsgemäße Schmierstoffführungseinrichtung Anwendung findet;
- 2a eine Axialschnitt-Detaildarstellung zur Bezugnahme auf den zylindrischen Ringspalt über welchen der Öltransfer bewerkstelligt wird;
- 2b eine Axialschnitt-Detaildarstellung zur weiteren Bezugnahme auf den zylindrischen Ringspalt über welchen der Öltransfer bewerkstelligt wird;
- 3 eine perspektivische Schnittdarstellung durch ein Getriebe- oder Antriebssystem in welchem die erfindungsgemäße Schmierstoffführungseinrichtung Anwendung findet, zur weiteren Veranschaulichung derselben;
- 4 eine perspektivische Detaildarstellung zur Veranschaulichung des Sitzes des Stegelements der Schmierstoffführungseinrichtung in der Hohlwelle;
- 5a bis 5e Einzelteildarstellungen des zur Bildung der Schmierstoffführungseinrichtung vorgesehenen Stegelements in unterschiedlichen Fertigungsstadien und Montagezuständen;
- 6a und 6b weitere Einzelteil- und Detaildarstellungen des Stegelements der Schmierstoffführungseinrichtung;
- 7a bis 7c Einzelteil- und Detaildarstellungen der Hohlwelle mit darin dreigängig ausgebildeten Nuten und darin sitzenden Stegelementen der Schmierstoffführungseinrichtung.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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Die Darstellung nach 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schmierstoffführungseinrichtung zur Unterstützung eines Schmierstofftransfers innerhalb eines Ringspalts R, der als solcher zwischen einer Hohlwelle H und einer in dieser Hohlwelle H aufgenommenen Welle W besteht, wobei diese beiden Bauteile H, W im Rahmen des Betriebs eines entsprechenden Systems zueinander in einer den Aufbau der Schmierstoffführungseinrichtung bestimmenden Vorzugsrichtung relativ rotieren, wobei in der Hohlwelle H und/oder der Welle W eine Nutgeometrie mit wenigstens einer gegenüber einer Mantelaxiallinie angestellten Nut N1 ausgebildet ist, und in diese Nut N1 ein Stegelement F eingesetzt ist, das sich radial in den Ringraum R hinein erhebt.
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Das Stegelement F umfasst einen Trägerkörper oder Trägerkern K und eine Elstomerstruktur E. Die Elastomerstruktur ist an den Trägerkern K anvulkanisiert und ummantelt den Trägerkern K vollumfänglich. Der Trägerkern K ist aus einem Metallwerkstoff gefertigt. Die Elastomerstruktur E bildet wenigstens eine Dichtlippe SL, wobei die Dichtlippe SL an der, der Nut N1 gegenüberliegenden zylindrischen Wandung, hier der Aussenumfangswandung der Welle W anläuft.
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Die Nut N1 ist demgemäß bei diesem Ausführungsbeispiel in der Innenumfangswandung der Holwelle H ausgebildet, und das Stegelement F ist derart ausgebildet, dass dieses unter radialer Stauchung in der Nut N1 sitzt. Wenn sich die Hohlwelle H und die innere Welle W gegeneinander rotieren dann schleppt die erfindungsgemäße Schmierstoffführungseinrichtung das im Ringspalt R befindliche Öl in die entsprechend der Steigung der Spirale und der Drehrichtung sich ergebende Förderrichtung. Falls in den Ringspalt phasenweise Luft nachströmt, bildet sich phasenweise ein lediglich geringer Schmierfilm unter den Dichtlippen SL und eine signifikante Ölförderung tritt erst dann wieder ein, wenn hinreichend Öl nachfliest. Die erfindungsgemäße Schmierstoffführungseinrichtung kann zum aktiven Transfer von Schmierstoff herangezogen werden, sie kann zur Abförderung von Leck- und Kriechöl verwendet werden und ggf. auch so ausgelegt sein, dass diese eine Rückförderung von Öl an den Bereich bewirkt aus welchem das Öl zufliest. So kann etwaiges Kriechöl am vollständigen Durchgang durch einen Wellenspalt gehindert werden. Weiterhin kann durch die erfindungsgemäße Schmierstoffführungseinrichtung auch eine Abdichtung des Ringspalts R erreicht werden, die bewirkt, dass das Öl eines Ölsumpfes der z.B. aufgrund einer Schrägstellung eines Getriebesystems bis an den vertikal unteren Bereich des Ringspaltes R heranreicht nicht ohne weiteres durch diesen Ringspalt hindurch abwandern kann.
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Die Darstellung nach 2a zeigt die Gestaltung des Systems nach 1 in einem Bereich aus welchem das durch die Schmierstoffführungseinrichtung geförderte Öl ggf. abfliesen kann. Der Spalt R beträgt vorzugsweise etwa 0,4 bis 2mm.
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Die Darstellung nach 2b zeigt die Gestaltung des Systems nach 1 in einem Bereich in welchem Öl Zugang zu dem Ringspalt R zwischen der Hohlwelle H und der darin sitzenden Welle W finden kann. Die Schmierstoffführungseinrichtung
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Die Darstellung nach 3 veranschaulicht den Verlauf der Spiralnut N1 in der Innenumfangswandung der Hohlwelle H. Die hier gezeigte Ölförderrichtung ergibt sich, wenn in dieser Darstellung mit Blick auf das in der Darstellung linke Ende, die Hohlwelle H im Uhrzeigersinn rotiert, und/oder die Welle W entgegen dem Uhrzeigersinn rotiert. Die Spiralnut N1 hat hier eine konstante Steigung und ist als mehrgängige Nut ausgeführt. Die Steigung kann auch kleiner bemessen sein, und die Spiralnut N1 kann auch so ausgebildet sein, dass diese nur wenige Windungen bildet und sich nicht über die gesamte Länge des Ringspalts R erstreckt.
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Die Darstellung nach 4 veranschaulicht den Sitz der Schmierstoffführungseinrichtung in der Hohlwelle H. Die Nut N1 kann einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweisen und demgemäß in ihrem inneren Bodenbereich gerundet ausgebildet sein. Über die elastomere Ummantelung E des Federkerns K wird ein spielfreier, fester Sitz der Schmierstoffführungsstruktur F in der Nut N1 unterstützt. Die Ummantelung E wirkt wie eine schleifend kontaktierende Dichtung und unterstützt die Förderwirkung der in den Ringraum R vordringende Spiralstruktur in dem Getriebe.
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Wie aus der Darstellung nach 5a ersichtlich, kann die erfindungsgemäße Schmierstoffführungsstruktur F als zunächst dünnes plastisch und elastisch verformbares Stabelement gefertigt werden, das den relativ steifen Federkern K und die elastomere Ummantelung E umfasst. Die Länge dieses Ausgangswerkstücks entspricht der Länge der abgewickelten Nut N1 in der Hohlwelle H.
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Wie aus der Darstellung nach 5b ersichtlich, kann der Federkern K als im Querschnitt rechteckiger Stahlblechstreifen, oder auch als Draht gefertigt werden. Über die elastomere Ummantelung E wird eine Sitzzone E1 und eine Dichtlippe SL realisiert.
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Die Darstellung nach 5c zeigt die Gummiummantelung E und den Stahlblechkern K als separate Bauteile, vorzugsweise wird jedoch die Gummiummantelung E formtechnisch, entweder in einer geschlossenen Form oder einer Extrudereinrichtung über den Stahlblech- oder Drahtkern geformt und existiert somit nur im Verbund mit dem Stahlblechkern K.
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Wie aus der Darstellung nach 5d ersichtlich, werden im Endbereich der Schmierstoffführungsstruktur F kurze Abschnitte der elastomeren Ummantelung E vom Stahlblechkern K entfernt. Die freiliegenden Abschnitte des Stahlblechkerns K werden zur axialen Fixierung der Schmierstoffführungsstruktur F abgewinkelt.
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Die Umformung des Ausgangswerkstücks der Schmierstoffführungsstruktur F zu der in 5e dargestellten Spiralstruktur erfolgt im Rahmen des Einbaus der Schmierstoffführungsstruktur F in die Hohlwelle H. Dies kann manuell, oder automatisiert unter Einsatz von speziellen Werkzeugen bewerkstelligt werden. Das Ausgangswerkstück kann hierzu vorzugsweise weitgehend vorgeformt werden, indem dieses zunächst auf einen Kern mit darin ausgebildeter Führungsnut gewickelt wird. Der Umformungsgrad des Ausgangswerkstückes ist relativ gering und die Schmierstoffführungsstruktur F sitzt auch aufgrund der inneren Verspannung des Federkerns K und der Verklemmung der Elastomerstruktur E in der Nut verliersicher in der Hohlwelle H. Um ein axiales Wandern der Schmierstoffführungsstruktur F in der Nut N1 zu verhindern werden die Enden F1, F2 abgewinkelt.
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Die Darstellungen nach den 7a bis 7c veranschaulichen weiter den Sitz der Schmierstoffführungsstruktur F in der Hohlwelle H. Die Schmierstoffführungseinrichtung ist hier als dreigängige Spirale ausgeführt und umfasst demgemäß drei in separate Nuten N1 eingesetzte Dichtlippeneinsatzstreifen F. Die axiale Sicherung derselben in der Hohlwelle H ist in 7d veranschaulicht. Der abgekröpfte Abschnitt F2 des Dichtlippeneinsatzes F ist vom Elastomermaterial E freigelegt. Die Freilegung erfolgt vorzugsweise bereits vor dem Einbau des Dichtlippeneinsatzes F der hierzu vorzugsweise schon exakt abgelängt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009051002 A1 [0002]
