DE102009038261A1

DE102009038261A1 - Lageranordnung mit Vorspanneinrichtung

Info

Publication number: DE102009038261A1
Application number: DE102009038261A
Authority: DE
Inventors: Umberto Rocca
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, insbesondere für ein Kraftfahrzeugdifferential, mit einem radial äußeren, sich axial mittels einer Vorspanneinrichtung axial einstellbar und vorgespannt gegenüber einem Gehäusebauteil abstützenden Lagerring und einem inneren, gegenüber dem Gehäusebauteil verdrehbaren Bauteil axial abgestützten Lagerring sowie zwischen den Lagerringen abwälzenden, die Lagerringe gegeneinander abstützenden Wälzkörpern. Um über Lebensdauer eine vorgegebene Vorspannung der Lageranordnung zwischen dem Gehäusebauteil und dem hierzu verdrehbaren Bauteil unabhängig vom Verschleiß erzielen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Vorspanneinrichtung aus zumindest einem axial zwischen dem Gehäusebauteil und dem zu diesem verdrehbaren Bauteil angeordneten Kombifederelement (22) mit einer Winkelscheibe (23) und einer radial innerhalb eines sich an dieser axial abstützenden Tellerfeder (25) auszubilden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung insbesondere für ein Kraftfahrzeugdifferential mit einem radial äußeren, sich axial mittels einer Vorspanneinrichtung axial einstellbar und vorgespannt gegenüber einem Gehäusebauteil abstützenden Lagerring und einem inneren, gegenüber dem Gehäusebauteil verdrehbaren Bauteil axial abgestützten Lagerring sowie zwischen den Lagerringen abwälzenden, die Lagerringen gegeneinander abstützenden Wälzkörpern.
Hintergrund der Erfindung
Eine solche Lageranordnung ist gattungsgemäß beispielsweise aus der EP 1 517 054 A1 bekannt. In einem Kraftfahrzeugdifferential werden dabei das den äußeren Lagerring an einem Lagersitz aufnehmende Gehäusebauteil und der äußere Lagerring mit einem Gewinde versehen. Zur Einstellung der Vorspannung wird die Lageranordnung durch Verdrehen des äußeren Lagerrings im Lagersitz justiert. Die dazugehörige Gewindeposition muss auf Lebensdauer gesichert werden, um ein Nachstellen der Vorspannung zu vermeiden. Eine einmal vorgenommene Vorspannung kann nach der Fertigmontage des Kraftfahrzeugdifferentials nicht mehr nachgestellt werden, so dass unter Berücksichtigung des Verschleißes der Lageranordnung und der diese umgebenden Bauteile die Vorspannung unter Vorgabe einer Verschleißreserve eingestellt werden muss, die die Lageranordnung zusätzlich belastet und deren Reibung erhöht, die sich beispielsweise in einem höheren Treibstoffverbrauch und einem damit verbundenen höheren CO₂-Eintrag in die Umwelt bemerkbar macht.
Es wurde weiterhin vorgeschlagen, die Vorspannung mittels Einstellscheiben (Shims) vorzugeben, die zwischen dem Gehäusebauteil und dem äußeren Lagerring eingefügt werden und je nach vorgegebener Vorspannung eine vorgegebene Stärke aufweisen. Die Verwendung derartiger Einstellscheiben erfordert aufwendige Abstimmarbeiten während der Montage des Kraftfahrzeugdifferentials sowie das Vorhalten verschiedener Kalibrationsstärken. Ein Vorhalten einer Verschleißreserve ist infolge der über Lebensdauer konstant eingestellten Vorspannung ebenfalls notwendig. Durch die fest eingestellte Vorspannung treten während Temperaturänderungen des Kraftfahrzeugdifferentials, die beispielsweise durch Änderung der Umgebungs- und Betriebstemperaturen verursacht werden, variierende Reibungen der Lageranordnungen auf, die in Summe bei beiden Methoden der Einstellung der Vorspannung zu einem über Lebensdauer erhöhten Verschleiß und Treibstoffverbrauch führen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Lageranordnung mit einer Vorspanneinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeugdifferential, vorzuschlagen, die über deren Lebensdauer und unabhängig von deren Betriebstemperatur eine konstante Vorspannung aufweist.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Lageranordnung, insbesondere für ein Kraftfahrzeugdifferential mit einem radial äußeren, sich axial mittels einer Vorspanneinrichtung axial einstellbar und vorgespannt gegenüber einem Gehäusebauteil abstützenden Lagerring und einem inneren, gegenüber dem Gehäusebauteil verdrehbaren Bauteil axial abgestützten Lagerring sowie zwischen den Lagerringen abwälzenden, die Lagerringe gegeneinander abstützenden Wälzkörpern, derart gelöst, dass die Vorspanneinrichtung aus zumindest einem axial zwischen dem Gehäusebauteil und dem zu diesem verdrehbaren Bauteil angeordneten Kombifederelement mit einer Winkelscheibe und einer radial innerhalb eines sich an dieser axial abstützenden Tellerfeder gebildet ist. In vorteilhafter Weise ist die Lageranordnung dabei als Kegelrollenlager ausgebildet, bei dem die Wälzkörper aus Kegelrollen gebildet sind, die sowohl eine Axiallagerung als auch eine Radiallagerung und damit eine erwünschte verdrehbare Lagerung der zum Gehäusebauteil verdrehbaren Bauteile wie Seitenwellen zum Antrieb der Antriebsräder eines mit dem Kraftfahrzeugdifferential ausgestatteten Kraftfahrzeugs sowie insbesondere des Trägers für das mit der Getriebeausgangswelle kämmende Tellerrad und den mit den Seitenwellen kämmenden Kegelrädern gegenüber dem Gehäusebauteil ermöglichen.
Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kombifederelements, von dem ein einziges oder mehrere axial aneinander angeordnete Exemplare zwischen dem Gehäusebauteil und dem äußeren Lagerring der Lageranordnung angeordnet werden, kann je nach Auslegung der Tellerfeder(n) eine über den Einstellweg kontante beziehungsweise sich über den Einstellweg vorzugsweise linear ändernde Vorspannkraft erzielt werden, die über Lebensdauer und bei Temperaturänderungen im Wesentlichen konstante Betriebsbedingungen ermöglicht, so dass das Vorhalten einer Verschleißreserve entfallen kann und ein entsprechend verschleißarmer und ökologisch sparsamer Betrieb mit geringerem Treibstoffverbrauch erzielt wird.
In einer vorteilhaften Ausführung der Lageranordnung mit dem Kombifederelement ist vorgesehen, die Tellerfeder in der Winkelscheibe verliersicher aufzunehmen. Hierzu kann die Tellerfeder an einem gemeinsamen Anlagekontakt mit der Winkelscheibe einen Reibschluss bilden. Beispielsweise kann die Tellerfeder an deren Außenumfang an einem Innenumfang eines sich axial erstreckenden Ringbords der Winkelscheibe radial abgestützt und damit unter Ausbildung eines Reibschlusses verliersicher aufgenommen sein. Alternativ oder zusätzlich kann das freie Ende des axialen Ansatzes der Winkelscheibe leicht nach radial innen angeprägt, beispielsweise eingerollt sein, so dass die Tellerfeder formschlüssig verliersicher mit der Winkelscheibe verbunden ist.
Um das zumindest eine Kombifederelement im Lagersitz des Gehäusebauteils für die Lageranordnung aufnehmen zu können, kann die Winkelscheibe, vorzugsweise deren axialer Ansatz, einen Außendurchmesser aufweisen, der einem Außendurchmesser des äußeren Lagerrings beziehungsweise dem Innendurchmesser des Lagersitzes im Wesentlichen entspricht. Durch eine Abstimmung der Durchmesser des Lagersitzes und des zumindest einen Kombifederelements kann ein Presssitz oder ein Sitz mit Radialspiel vorgesehen werden.
Zur Darstellung des über Lebensdauer vorgesehenen Einstellspiels mit der vorgesehenen Vorspannkraft des zumindest einen Kombifederelements bildet die Tellerfeder im entspannten Zustand in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel auf einem ersten Durchmesser, vorzugsweise einem radial äußeren Durchmesser eine axiale Anlagefläche mit der Winkelscheibe und weist auf einem bevorzugt radial inneren, zweiten Durchmesser einen Einstellspalt zu der Winkelscheibe auf. Hierdurch wird der äußere Lagerring bis zum Aufbrauch des Einstellspalts mit einer axialen, durch die Elastizität der Tellerfeder vorgegebenen Vorspannkraft beaufschlagt, während nach Aufbrauch des Einstellspalts eine starre Anbindung der Lageranordnung an das Gehäusebauteil erfolgt. Die Elastizität beziehungsweise Steifigkeit der Tellerfeder über den Einstellspalt wie Vorspannweg der Tellerfeder sowie die Weite des Einstellspalts können anwendungsabhängig vorgegeben werden.
Das zumindest eine Kombifederelement kann zur Begrenzung des Bauraums an die Abmessungen des äußeren Lagerrings angepasst werden. Hierzu kann ein Innendurchmesser des zumindest einen Kombifederelements einem Innendurchmesser des äußeren Lagerrings im Wesentlichen entsprechen. Auf diese Weise werden die Wälzkörper nicht durch das zumindest eine Kombifederelement gestört.
Die Anordnung eines einzelnen Kombifederelements kann mittels einer Anlagefläche der Winkelscheibe an dem äußeren Lagerring erfolgen, wobei die Tellerfeder an einer Anlagefläche des Gehäusebauteils anliegt. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn die Tellerfeder dem äußeren Lagerring zugewandt ist. Auf diese Weise kann beispielsweise die Winkelscheibe an eine Anlagefläche des Lagersitzes des Gehäusebauteils vor dem Zusammenfügen von Bauteil und Gehäusebauteil vormontiert werden. Das gegenüber dem Gehäusebauteil verdrehbare Bauteil kann dabei in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ein Träger eines Tellerrads eines Kraftfahrzeugdifferentials und das zwischen diesen wirksame Lager ein Kegelrollenlager der Lageranordnung sein. Am äußeren Lagerring ist dabei eine Anlagefläche vorgesehen, an dem während der Montage die Tellerfeder unter Vorgabe der ausgelegten Vorspannung angelegt wird.
Zur Überbrückung großer Einstellspalte und/oder Vorgabe hoher Vorspannkräfte können zur Bildung einer Vorspanneinrichtung zwei oder mehrere Kombifederelemente axial aneinander gereiht werden. Hier hat sich insbesondere bei der Ausbildung einer Vorspanneinrichtung mit zwei Kombifederelementen als vorteilhaft erwiesen, die beiden Kombifederelemente mit einander zugewandten Tellerfedern anzuordnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Teilschnitt durch ein Kraftfahrzeugdifferential mit einer Lageranordnung mit Vorspanneinrichtung nach dem Stand der Technik;
2 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorspanneinrichtung in Form eines Kombifederelements für das Kraftfahrzeugdifferential der 1;
3 einen Teilschnitt durch zwei axial aneinandergereihte Kombifederelemente der 2;
4 eine Kennlinie des Kombifederelements der 2.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Teilschnitt durch ein Kraftfahrzeugdifferential 1 nach dem Stand der Technik mit dem Gehäuse 2a und dem gegenüber diesem verdrehbaren Bauteil 3 in Form des Trägers 3a, der mittels eines nicht dargestellten Tellerrads von einer Getriebeausgangswelle eines Getriebes angetrieben wird. Der gegenüber dem Gehäuse 2a verdrehbar and axial fest mittels der Lageranordnungen 4, 5, die hier als Kegelrollenlager 6, 7 ausgebildet sind, verlagerbare Träger 3a treibt die Seitenwellen 8, 9 für die Antriebsräder mittels nicht dargestellter Kegelradverzahnungen an.
Die Lageranordnungen 4, 5 sind aus einem äußeren Lagerring 10 und einem inneren Lagerring 11 und dazwischen abwälzenden Wälzkörpern 12 wie Kegelrollen 13 gebildet. Zum Ausgleich von Längentoleranzen zwischen Gehäuse 2a und Träger 3a sowie zur Vorgabe einer Vorspannung zwischen dem Gehäuse 2a und dem Träger 3a ist an einer der beiden Lageranordnungen 4, 5, nämlich der Lageranordnung 4, die Vorspanneinrichtung 14 vorgesehen, die entsprechend dem Stand der Technik aus einer Einstellscheibe 15 gebildet ist, deren Stärke je nach einer in Abstimmarbeiten ermittelten Längentoleranz ausgewählt wird.
Die Lageranordnung 4 mit der Vorspannordnung 14 ist an einem Lagersitz 16 des Gehäusebauteils 2 des Gehäuses 2a radial fest aufgenommen, die Vorspanneinrichtung 14 erlaubt eine axial durch die Einstellscheibe 15 kalibrierbare Anordnung der Lageranordnung 4, die lediglich mittels des Axialanschlags 17 einseitig am Träger 3a axial festgelegt ist, während die Lageranordnung 5 mittels der Axialanschläge 18, 19 im Gehäuse 2a und dem Träger 3a beidseitig axial fest aufgenommen ist. Die Einstellscheibe 15 schlägt an der Anlagefläche 20 des Lagersitzes 16 an, wenn der Träger 3a mit der darauf montierten Lageranordnung 4 bei der Montage der beiden Gehäusehälften des Gehäuses 2a im Gehäuse 2a positioniert und die Anlagefläche 21 des äußeren Lagerrings 10 an der Einstellscheibe 15 anschlägt.
2 zeigt in Verbindung und mit Bezug auf das in 1 dargestellte Kraftfahrzeugdifferential 1 die der Lageranordnung 4 zugeordnete Vorspanneinrichtung 14 in Form des in 2 im Teilschnitt dargestellten, erfindungsgemäßen Kombifederelements 22, das den in 1 dargestellten Einstellring 15 ersetzt. Gezeigt ist die obere Hälfte eines Schnitts längs des Durchmessers des Kombifederelements 22. Dies ist aus einer Winkelscheibe 23 gebildet, die radial außen einen axialen Ansatz 24 mit dem Außendurchmesser D_a aufweist, an dessen Innenumfang mit dem Innendurchmesser De die Tellerfeder 25 mit dem dem Innendurchmesser De im Wesentlichen entsprechenden Außendurchmesser, so dass die Tellerfeder 25 unter Bildung eines Reibschlusses verliersicher an der Winkelscheibe 23 aufgenommen ist. Das Kombifederelement 22 ist auf einen Innendurchmesser D_i begrenzt, der im Wesentlichen dem Innendurchmesser des äußeren Lagerrings 10 entspricht. Radial außen ist die Tellerfeder 25 an der Anlagefläche 26 der Winkelscheibe 23 axial angelegt und bildet mit dieser infolge ihrer Schrägstellung radial innen den Einstellspalt 27 mit der Spaltweite s. Der Einstellspalt 27 wird durch die sich zwischen dem Gehäusebauteil 2 und dem Träger 3a einstellende Toleranz verändert, eine Vorspannung zwischen diesen wird dabei durch axiale Beaufschlagung der Tellerfeder 25 an der Anlagefläche 29, die an dem Lagerring 10 anliegt, während die Winkelscheibe 23 an der Anlagefläche 20 des Lagersitzes 16 axial abgestützt ist, eingestellt. Der einstellbare Toleranzbereich wird durch die Spaltweite s vorgegeben. Wird diese minimal, schlägt die Tellerfeder 25 am radial innen an der Winkelscheibe 23 vorgesehenen Anschlag 28 an. Im nicht verspannten Zustand des Kombifederelements 22 entspricht der axiale Bauraumbedarf der Bauhöhe H. Der minimale Bauraumbedarf, in dem noch eine elastische Vorspannung beziehungsweise ein Toleranzausgleich möglich ist, ergibt sich aus der Differenz der Bauhöhe H und der Spaltweite s. Für typische Anwendungsfälle liegt der Arbeits- beziehungsweise Vorspannungsbereich bei ca. 0,5 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise bei 0,7 mm bis 1,2 mm. Die Spaltweite s kann dabei aus Gründen einer sicheren Auslegung zur Vermeidung von Anschlägen der Tellerfeder 25 am Anschlag 28 größer sein.
3 zeigt eine axiale Aneinanderreihung von zwei Kombifederelementen 22, 22a im Teilschnitt. Die Kombifederelemente 22, 22a sind dabei bevorzugt als Gleichteile ausgebildet und spiegelbildlich zueinander angeordnet. Die Winkelscheiben 23 werden daher jeweils gegen den Lagerring 10 beziehungsweise gegen die Anlagefläche 20 eines Kraftfahrzeugdifferentials entsprechend 1 angelegt. Die Tellerfedern 25 beaufschlagen sich gegenseitig mittels ihrer Anlageflächen 29. Zur Herstellung einer zweistufigen Vorspannkennlinie kann eine der Tellerfedern 25 weicher und die andere mit einer höheren Steifigkeit ausgebildet sein.
4 zeigt schematisch das Kraft/Weg-Diagramm 30 mit der Vorspannkennlinie 31 mit der Entfaltung der Kraft F entlang des Axialwegs w des Kombifederelements 22 der 2. Der gestrichelt dargestellte Wegbereich s₁ gibt die Kraft F wieder, wenn das Kombifederelement 22 zwischen dem Gehäusebauteil 2 und dem Träger 3a noch nicht vorgespannt wird, sich daher auch keine Vorspannung der Tellerfeder 25 ergibt. Über die Spaltweite s des Einstellspalts 27 ergibt sich ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang der von der Tellerfeder 25 über den Axialweg w bereit gestellten Kraft F. Der vorgesehene Arbeitsbeziehungsweise Vorspannbereich der Lageranordnung ergibt sich aus dem Wegbereich s₂. Der Wegbereich s₂ wird während des Betriebes des Kraftfahrzeugdifferentials 1 beispielsweise durch Änderungen der Betriebstemperatur ausgeschöpft. Bei Überschreiten der Spaltweite s schlägt die Tellerfeder 25 an der Winkelscheibe 23 an, so dass sich die Steifigkeit des Kombifederelements 22 stark erhöht und beispielsweise durch plastische Verformung von Bauteilen der Lageranordnung 4, das Kombifederelement 22 eingeschlossen, und/oder Elastizitäten im Gehäuse 2a und/oder dem Träger 3a vorgegeben wird.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeugdifferential
2: Gehäusebauteil
2a: Gehäuse
3: Bauteil
3a: Träger
4: Lageranordnung
5: Lageranordnung
6: Kegelrollenlager
7: Kegelrollenlager
8: Seitenwelle
9: Seitenwelle
10: Lagerring
11: Lagerring
12: Wälzkörper
13: Kegelrolle
14: Vorspanneinrichtung
15: Einstellscheibe
16: Lagersitz
17: Axialanschlag
18: Axialanschlag
19: Axialanschlag
20: Anlagefläche
21: Anlagefläche
22: Kombifederelement
22a: Kombifederelement
23: Winkelscheibe
24: axialer Ansatz
25: Tellerfeder
26: Anlagefläche
27: Einstellspalt
28: Anschlag
29: Anlagefläche
30: Diagramm
31: Kennlinie
Da: Außendurchmesser
De: Innendurchmesser
Di: Innendurchmesser
F: Kraft
H: Bauhöhe
s: Spaltweite
s1: Wegbereich
s2: Wegbereich
w: Axialweg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1517054 A1 [0002]

Claims

Lageranordnung (4) insbesondere für ein Kraftfahrzeugdifferential (1) mit einem radial äußeren, sich axial mittels einer Vorspanneinrichtung (14) axial einstellbar und vorgespannt gegenüber einem Gehäusebauteil (2) abstützenden Lagerring (10) und einem inneren, gegenüber dem Gehäusebauteil (2) verdrehbaren Bauteil (3) axial abgestützten Lagerring (11) sowie zwischen den Lagerringen (10, 11) abwälzenden, die Lagerringe (10, 11) gegeneinander abstützenden Wälzkörpern (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (14) aus zumindest einem axial zwischen dem Gehäusebauteil (2) und dem zu diesem verdrehbaren Bauteil (3) angeordneten Kombifederelement (22, 22a) mit einer Winkelscheibe (23) und einer radial innerhalb eines sich an dieser axial abstützenden Tellerfeder (25) gebildet ist.
Lageranordnung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder (25) in der Winkelscheibe (23) verliersicher aufgenommen ist.
Lageranordnung (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder (25) an deren Außenumfang an einem Innenumfang eines sich axial erstreckenden Ansatzes (24) der Winkelscheibe (23) radial abgestützt ist.
Lageranordnung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser (D_a) der Winkelscheibe (23) einem Außendurchmesser des äußeren Lagerrings (10) im Wesentlichen entspricht.
Lageranordnung (4) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder (25) im entspannten Zustand auf einem ersten Durchmesser eine axiale Anlagefläche mit der Winkelscheibe (23) bildet und auf einem zweiten Durchmesser einen Einstellspalt (27) zu dieser aufweist.
Lageranordnung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innendurchmesser (D_i) des zumindest einen Kombifederelements (22, 22a) einem Innendurchmesser des äußeren Lagerrings (10) im Wesentlichen entspricht.
Lageranordnung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder (25) dem äußeren Lagerring (10) zugewandt ist.
Lageranordnung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (14) aus zwei Kombifederelementen (22, 22a) mit einander zugewandten Tellerfedern (25) gebildet ist.