DE19808566C1 - Lagerung einer Antriebswelle eines Achsgetriebes - Google Patents

Lagerung einer Antriebswelle eines Achsgetriebes

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagerung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Eine solche Lagerung ist in dem DE-Katalog "Einbaubeispiele für INA-Wälzlager", 1974, 5.94/95 gezeigt. Bei dieser Lagerung befinden sich zwei Kegelrollenlager axial versetzt zueinander in O-Anordnung. Die Lagerinnenringe der Kegelrollenlager nehmen die Antriebswelle auf, während die Lageraußenringe in jeweils einem Gehäuseeinsatz im Achsgehäuse angeordnet sind. Die beiden Gehäuseeinsätze weisen jeweils einen Ringflansch auf, wobei der Ringflansch des gehäuseinneren - d. h. des der Kegelritzel- Tellerrad-Verzahnung näher stehenden - Gehäuseeinsatzes mit dem Achsgehäuse verschraubt ist.
Bei der Verwendung von Leichtmetall als Werkstoff für das Achsgehäuse und Stahl als Werkstoff für die Antriebswelle und die Gehäuseeinsätze entstehen bei der betriebsbedingten Erwärmung durch das unterschiedliche Wärmeausdehnungsverhalten von Stahl und Leichtmetall Durchmesserdifferenzen zwischen den sich stärker ausdehnenden Lageraugen im Achsgehäuse und den sich geringer ausdehnenden Gehäuseeinsätzen. Da sich zusätzlich über die Länge der Antriebswelle aus zuvor genannten Gründen das Achsgehäuse stärker ausdehnt als die Antriebswelle, entstehen Spannungen zwischen den axialen Stützflächen der beiden Gehäuseeinsätze bzw. der beiden Lager. Diese führen zu einer Veränderung der Lagervorspannung und insbesondere durch zusätzliche Spannungen aus den hohen Kräften an der Kegelritzel-Tellerrad-Verzahnung zum Fließen des Achsgehäusewerkstoffes im Bereich der beiden Lageraugen. Diese Formveränderungen durch das Fließen führen im Zusammenhang mit den anfangs beschriebenen Durchmesserdifferenzen zwischen den Lageraugen des Achsgehäuses und den Gehäuseeinsätzen zu einem Spiel zwischen den Gehäuseeinsätzen und dem Achsgehäuse. Insbesondere das Spiel des im Gegensatz zum gehäuseinneren Gehäuseeinsatz nicht mit dem Achsgehäuse verschraubten gehäuseäußeren Gehäuseeinsatzes kann Kippbewegungen der Antriebswelle ermöglichen, die zu Laufgeräuschen führen und die Lebensdauer des Achsgetriebes verkürzen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist im wesentlichen darin zu sehen, eine Lagerung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Verwendung von Leichtmetall als Werkstoff für das Achsgehäuse ohne das Auftreten der beschriebenen Nachteile ermöglicht.
Die erläuterte Aufgabe ist gemäß der Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 in vorteilhafter Weise gelöst.
Ein Vorteil der Erfindung ist, daß infolge der Anordnung ausschließlich des gehäuseäußeren Kegelrollenlagers unmittelbar im Achsgehäuse aus Leichtmetall die axiale Längung des Achsgehäuses zwangsläufig zu einer Aufweitung des Lageraußenringes dieses Kegelrollenlagers führt. Diese Aufweitung des Lageraußenringes kompensiert oder überschreitet erfindungsgemäß die wärmebedingte Aufweitung des Achsgehäuses im Bereich des dem gehäuseäußeren Kegelrollenlagers zugeordnetem Lagerauges. Dazu sind bei der erfindungsgemäßen Lagerung einer Antriebswelle eines Achsgetriebes die Maße und Werkstoffe des Achsgetriebes so zueinander in ein Verhältnis gesetzt, daß eine annähernd konstante Lagervorspannung gezielt über einem möglichst weiten Temperaturbereich aufrecht erhalten bleibt, weil die bei Temperaturerhöhung schwindende Überdeckung des Preßsitzes zwischen dem Kegelrollenlager am gehäuseäußeren Wellenende der Antriebswelle und dem diesem Kegelrollenlager zugeordneten Lagerauge und die dadurch bedingte Lageraußenringaufweitung dadurch ausgeglichen wird, daß die Längenänderungsdifferenz zwischen Antriebswelle und Achsgehäuse zwischen der Stützfläche des Ringflansches und der Stützfläche des Lageraußenringes des Lagers am gehäuseäußeren Wellenende so kalkuliert ist, daß sie den der Lageraußenringaufweitung entsprechenden Axialweg des gehäuseäußeren Kegelrollenlagers gerade kompensiert oder nur geringfügig überschreitet.
Gegenstand nach Patentanspruch 2 ist eine Ausführungsform der Lagerung nach der Erfindung, bei der ein Preßsitz zwischen dem Lageraußenring des gehäuseäußeren Kegelrollenlagers und dem zugehörigen Lagerauge des Achsgehäuses bis zu einer Temperatur von 70°C bis 80°C aufrecht erhalten bleibt.
Patentanspruch 3 stellt eine Ausführungsform der Lagerung nach der Erfindung dar, die den fertigungstechnischen Vorteil einer separaten Bearbeitung von dem Einsatz und dem Achsgehäuse mit dem Vorteil einer einfachen Montage und Demontage kombiniert.
Die Erfindung ist nachstehend anhand einer in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsform näher beschrieben.
Eine Antriebswelle 4 eines Achsantriebes eines Kraftfahrzeuges ist an ihrem gehäuseinneren Wellenende 21 durch ein Kegelrollenlager 1 und an ihrem gehäuseäußeren Wellenende 22 durch ein Kegelrollenlager 2 in einem Achsgehäuse 3 aus Leichtmetall gelagert, wobei das Kegelrollenlager 1 in einen Einsatz 5 aus Stahl oder Eisenguß eingesetzt ist, während das Kegelrollenlager 2 mit Preßsitz in ein Lagerauge 20 des Achsgehäuses 3 eingesetzt ist. Die Kegelrollenlager 1 und 2 sind zueinander in bekannter O-Anordnung ausgerichtet.
Der Lagerinnenring 6 des Kegelrollenlagers 1 ist axial in Richtung eines koaxial und bewegungsfest zum gehäuseinneren Wellenende 21 der Antriebswelle 4 angeordneten Ritzels 7 an einem Absatz der Antriebswelle 4 abgestützt, während der Lageraußenring 8 des Kegelrollenlagers 1 in der entgegengesetzten Richtung am Einsatz 5 abgestützt ist.
Der Lagerinnenring 9 des Kegelrollenlagers 2 ist axial in Richtung des gehäuseäußeren Wellenendes 22 der Antriebswelle 4 an einem nicht gezeigten mit der Antriebswelle 4 schraubbeweglich verbundenen Gewindeeinstellring unter Zwischenfügung einer Nabe 10 eines drehfest auf der Antriebswelle 4 sitzenden Antriebsflansches und in der entgegengesetzten Richtung mittels eines Distanzringes 23 an einem Absatz der Antriebswelle 4 abgestützt, wohingegen der Lageraußenring 11 desselben Lagers 2 axial in Richtung des Ritzels 7 am Achsgehäuse 3 abgestützt ist.
Der Einsatz 5 ist radial in einem Lagerauge 26 des Achsgehäuses 3 abgestützt, welches dem Ritzel 7 benachbart ist. Der Einsatz 5 weist an seinem Außenumfang einen Ringflansch 12 auf, der mit dem gehäuseinneren Ende 15 des Lagerhalses 14 verschraubt ist.
Die sich aus den Kräften an der Kegelritzel-Tellerrad- Verzahnung ergebende Resultierende 17 der Lagerkraft im axialen Bereich des Ringflansches 12 wird in den Gehäuseeinsatz 5 eingeleitet. Durch den im Verhältnis zum Kegelrollenlager 1 großen Durchmesser des Ringflansches 12 verteilt sich die eingeleitete Kraft auf eine größere Fläche im Achsgehäuse 3 und verringert damit die Gefahr einer plastischen Verformung des Achsgehäuses 3.
Im folgenden bedeuten:
L: der Abstand zwischen der ersten Stützfläche 24 des Achsgehäuses 3 am Lageraußenring 11 des Kegelrollenlagers 2 und einer zweiten Stützfläche 19 des Achsgehäuses 3 an der axialen Stützfläche 25 des Ringflansches 12 des Einsatzes 5,
ΔL: die Längendehnungsdifferenz zwischen Achsgehäuse 3 und Antriebswelle 4 auf der Länge L,
αG: der Wärmeausdehnungskoeffizient des Achsgehäusewerkstoffes,
αL: der Wärmeausdehnungskoeffizient des Antriebswellen- und des Einsatzwerkstoffes,
ΔtG: die Temperaturdifferenz zwischen
der Temperatur am Achsgehäuse 3, bei der die Überdeckung des Preßsitzes zwischen dem Lageraußenring 11 und dem Lagerauge 20 gegen Null geht und
der Ausgangstemperatur,
ΔtL: die Temperaturdifferenz zwischen
der mittleren Temperatur der Antriebswelle 4 und des Kegelrollenlagers 2, bei der die Überdeckung des Preßsitzes zwischen dem Lageraußenring 11 und dem Lagerauge 20 gegen Null geht und
der Ausgangstemperatur,
ΔdL: die Durchmesserdifferenz des Außendurchmessers des Lageraußenringes 11 des Kegelrollenlagers 2 zwischen dem entspannten und dem eingebauten Zustand,
ΔdG: die Durchmesserdifferenz des Innendurchmessers des Lagerauges 20 für das Kegelrollenlager 2 zwischen dem entspannten Zustand und dem eingebauten Zustand des Kegelrollenlagers 2 sowie
γ: der Winkel, der zwischen der Wälzfläche des Lageraußenringes 11 des Kegelrollenlagers 2 und der Lagerachse der Antriebswelle 4 eingeschlossen wird.
Das Achsgehäuse 3 ist im Bereich des Lagerauges 20 so dimensioniert, daß der Betrag der Durchmesserdifferenz ΔdL mindestens ebenso groß ist, wie der Betrag der Durchmesserdifferenz ΔdG.
Die in der Zeichnung mit L gekennzeichnete Länge weist bei Erwärmung eine Längendehnungsdifferenz ΔL zwischen der Absolutlängung L . αG . ΔtG des Achsgehäuses 3 und der Absolutlängung L . αL . ΔtL der Antriebswelle 4 auf.
Diese Längenänderungsdifferenz ΔL ist konstruktiv dahingehend ermittelt, daß sie unter weitestgehender Beibehaltung der gegebenen Lagervorspannung die temperaturbedingte Aufweitung des Außenringes 11 des Kegelrollenlagers 2 kompensiert. Es gilt die Gleichung
bis zum vollständigen Abbau des Preßsitzes des Lageraußenringes 11 im zugehörigen Lagerauge 20. Somit bleibt in dem bei üblichen Fahrbedingungen auftretenden Temperaturbereich ein Preßsitz aufrechterhalten und die Lagervorspannung auf konstantem Niveau mit der vorteilhaften Auswirkung auf den Zahneingriff.

Claims (4)

1. Lagerung einer Antriebswelle (4) eines Achsgetriebes eines Kraftfahrzeuges in einem Achsgehäuse (3), mit zwei unter O- Anordnung in den Richtungen der Lagerachse (13-13) gegeneinander versetzten Kegelrollenlagern (1 und 2), und bei der jeweils bezüg­ lich der von der O-Anordnung weg weisenden Richtung der Lagerachse (13-13) der Lagerinnenring (6) des einen, dem gehäuseinneren Welle­ nende (21) der Antriebswelle (4) - zugeordneten Lagers (1) gegenüber einer bewegungsfesten Axiallagerfläche der Antriebswelle (4) - da­ gegen der Lagerinnenring (9) des anderen, dem gehäuseäußeren Welle­ nende (22) der Antriebswelle (4) zugeordneten Lagers (2) gegenüber dem Wellenende (22) abstützbar ist, wobei der Lageraußenring (8) des dem gehäuseinneren Wellenende (21) der Antriebswelle (4) zugeordneten Lagers (1) durch einen ringför­ migen Gehäuseeinsatz (5) sowohl radial nach außen als auch in der auf die O-Anordnung hin weisenden Richtung der Lagerachse (13-13) gegenüber dem Achsgehäuse (3) abgestützt und der Gehäuseeinsatz (5) als ein vom Achsgehäuse (3) getrenntes Bauteil sowohl konzentrisch zur Lagerachse (13-13) ausgerichtet ist als auch an seinem Außenum­ fang einen Ringflansch (12) aufweist, und daß der Ringflansch (12) und die Kegelrollen (18) des durch den Gehäuseeinsatz (5) abge­ stützten Lagers (1) derart in einem Bereich (16) der Lagerachse (13-13) angeordnet sind, daß die Resultierende (17) der Lagerkraft im axialen Bereich des Ringflansches (12) in den Gehäuseeinsatz (5) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Achsgehäuse (3) aus Leichtmetall besteht und
daß die radiale Abstützung des Lageraußenringes (11) des dem gehäu­ seäußeren Wellenende (22) zugeordneten Lagers (2) unmittelbar in einem Lagerauge (20) des Achsgehäuses (3) erfolgt und
daß
ein Winkel γ, der zwischen der Wälzfläche des Lageraußenringes (11) des dem gehäuseäußeren Wellenende (22) der Antriebswelle (4) zugeordneten Lagers (2) und der Lagerachse (13-13) der Antriebswel­ le (4) eingeschlossen wird,
ein Abstand L zwischen
einer ersten axialen Stützfläche (24) des Achsgehäuses (3) für den Lageraußenring (11) des dem gehäuseäußeren Wellenende (22) der Antriebswelle (4) zugeordneten Lagers (2) und
einer zweiten Stützfläche (19) des Achsgehäuses (3) für den Ringflansch (12),
ein dem Werkstoff des Achsgehäuses (3) angehörige erste Wärmeaus­ dehnungskoeffizient αG,
ein dem Werkstoff der Antriebswelle (4) und des Einsatzes (5) ange­ hörige zweite Wärmeausdehnungskoeffizient αL,
eine Temperaturdifferenz ΔtG zwischen
der Temperatur des Achsgehäuses (3), bei der der Preßsitz zwi­ schen dem Lagerauge (20) des Achsgehäuses (3) und dem dem ge­ häuseäußeren Wellenende (22) der Antriebswelle (4) zugeordneten Lager (2) gegen Null geht und
der Ausgangstemperatur sowie
eine Temperaturdifferenz ΔtL zwischen
der mittleren Temperatur der Antriebswelle (4) und des dem ge­ häuseäußeren Wellenende (22) der Antriebswelle (4) zugeordneten Lagers (2) bei der der Preßsitz zwischen diesem Lager (2) und dem Lagerauge (20) des Achsgehäuses (3) gegen Null geht und
der Ausgangstemperatur sowie
eine Durchmesserdifferenz ΔdL zwischen dem Außendurchmesser des La­ geraußenringes (11) im entspannten Zustand und dem Außendurch­ messer des Lageraußenringes (11) im eingebauten Zustand bei Raumtemperatur
im Verhältnis
zueinander stehen.
2. Lagerung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lageraußenring (11) des dem gehäuseäußeren Wellenende (22) der Antriebswelle (4) zugeordneten Lagers (2) mit Preßsitz in das Lagerauge (20) des Achsgehäuses (3) eingesetzt ist, wobei der Be­ trag der Durchmesserdifferenz ΔdL im Mittel größer oder gleich dem Betrag einer Durchmesserdifferenz ΔdG des Innendurchmessers des La­ gerauges (20) zwischen dem Innendurchmesser im entspannten Zustand und dem Innendurchmesser bei eingebautem Lager (2) ist.
3. Lagerung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Achsgehäuse (3) einen von der Antriebswelle (4) durchsetz­ ten Lagerhals (14) für die Abstützung der Lager (1 und 2) aufweist, und daß der Ringflansch (12) an dem gehäuseinneren Ende (15) des Lagerhalses (14) lösbar befestigt ist.
4. Lagerung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lageraußenring (8) des dem gehäuseinneren Wellenende (21) zugeordneten Lagers (1) einteilig mit dem Einsatz (5) ausgeführt ist.
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