DE102011086564A1

DE102011086564A1 - Führungszapfen für ein Anfahrelement

Info

Publication number: DE102011086564A1
Application number: DE102011086564A
Authority: DE
Inventors: Peter Frey
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-05-23
Also published as: US20130125852A1; US9080541B2

Abstract

Ein Anfahrelement weist ein Gehäuse (4) und einen Führungszapfen (6) zum Zentrieren des Anfahrelements während einer Montage auf, wobei der Führungszapfen (6) aus einem Blech besteht und mittels einer formschlüssigen Verbindung (18) mit dem Gehäuse (4) verbunden ist

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung befassen sich mit einem Anfahrelement für einen Motor, insbesondere mit einem Drehmomentwandler bzw. mit einem hydrodynamischen Drehmomentwandler mit einem Gehäuse (4) und einem Führungszapfen (6) zum Zentrieren des Drehmomentwandlers während einer Montage.
Hydrodynamische Drehmomentwandler werden häufig in Kraftfahrzeugen mit automatisierten Getrieben als Anfahrelement verwendet, d. h., während des Anfahrens bzw. des Beschleunigens aus dem Stillstand wird die Kraft über den hydrodynamischen Wandler übertragen. Nach dem Anfahren kann der Wandler zur Steigerung der Effizienz bzw. zur Minimierung der Wandlerverluste mittels einer Wandlerüberbrückungskupplung überbrückt werden. Ein Anfahrelement beziehungsweise ein hydrodynamisches Anfahrelement in diesem Sinne ist auch eine Hydrokupplung, bei der keine Drehmomentwandlung stattfindet, da im Vergleich zu dem hydrodynamischen Drehmomentwandler auf ein die Drehmomentüberhöhung verursachendes Leitrad verzichtet wird. Neben solchen hydrodynamischen Kopplungsvorrichtungen können als Anfahrelemente auch andere Formen von nass- und trockenlaufenden Elementen verwendet werden, beispielsweise Fliehkraftkupplungen.
Bei der Montage eines Anfahrelements, beispielsweise eines Drehmomentwandlers bzw. eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers, am Motor, beispielsweise an der Schwungscheibe, ist es erforderlich, die Kurbelwellenachse und Rotationsachse des Drehmomentwandlers möglichst genau aufeinander zu zentrieren, sodass es zu keinem Achsversatz kommt, welcher Verluste und Unwuchten im Antriebsstrang hervorrufen könnte. Zu diesem Zweck wird häufig am Gehäuse bzw. an demjenigen Gehäusedeckel oder Gehäuseteil des Drehmomentwandlers, der dem Antriebsmotor zugewandt ist, ein zentraler Führungszapfen angebracht, der während der Montage in eine dazu korrespondierende Bohrung in der Kurbelwelle bzw. der Schwungscheibe eingreift, sodass die Rotationsachsen der beiden Aggregate miteinander fluchten. Nach der Zentrierung mittels des Führungszapfens werden die beiden Aggregate häufig über Flex-Plates, d.h. über flexible, Axialschwingungen ausgleichende Verbindungselemente, miteinander verschraubt.
Nach der Verschraubung ist der Führungszapfen im Wesentlichen funktionslos und kann sogar stören. Beispielsweise kann über die Verbindung durch die Flex-Plates eine axiale Schwingung, ein geringer kurzfristiger axialer Versatz oder ein Verkippen des Drehmomentwandlers relativ zum Antriebsaggregat ausgeglichen werden. Durch den Führungszapfen wird bei solchen Bewegungen jedoch ebenfalls Kraft übertragen und in das Gehäuse des Drehmomentwandlers eingeleitet, was den Ausgleich behindern kann. Zusätzlich kann die Krafteinleitung am Führungszapfen beispielsweise bei den üblicherweise verwendeten Schweißverbindungen zwischen Führungszapfen und dem Deckel des Drehmomentwandlergehäuses auf Dauer zu Materialermüdung und Rissen im Gehäuse bzw. im Gehäusedeckel führen.
Das deutsche Patent DE 198 12 062 B4 zeigt beispielsweise einen aus einem starren Material, beispielsweise aus einem metallischen Vollmaterial gedrehten oder gefrästen, Mittenzapfen der am Gehäuse eines Drehmomentwandlers zur Zentrierung angebracht ist. Der massive bzw. stabile Mittenzapfen überträgt sämtliche Kräfte unmittelbar in das Gehäuse des Wandlers und kann so zu den oben beschriebenen Verspannungen oder Beschädigungen des Wandlergehäuses führen.
Die deutsche Patentschrift DE 32 22 119 C1 beschreibt einen Drehmomentwandler, bei dem der Führungszapfen als Teil des Gehäuses ausgebildet ist, was ersichtlich zu denselben Problemen führt, ebenso wie eine starre Anbindung des Führungszapfens an die Flex-Plates, die zur Verbindung mit dem Antriebsaggregat verwendet werden.
Es besteht somit die Notwendigkeit, eine verbesserte Kraftanbindung des Führungszapfens zum Gehäuse des Anfahrelements zu gewährleisten.
Gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung wird dies ermöglicht, indem ein Anfahrelement mit einem Führungszapfen zum Zentrieren des Anfahrelements während einer Montage verwendet wird, wobei der Führungszapfen aus einem Blech besteht und mittels einer formschlüssigen Verbindung mit dem Gehäuse verbunden ist
Die Verwendung eines Führungszapfens aus Blech bewirkt, dass dieser aufgrund seiner inhärenten Flexibilität Bewegungen zwischen Gehäuse des Anfahrelements und motorseitiger Anbindung durch elastische Deformation zumindest teilweise kompensieren kann, sodass keine hohe Krafteinleitung in den Deckel bzw. das Gehäuse des Anfahrelements erfolgt. Mit anderen Worten ist der Führungszapfen aus Blech in sich biegeweich und kann so Deformationen elastisch folgen, was auch die Verwendung einer massiven Anbindungsplatte, beispielsweise einer massiven Schwungscheibe auf der Motorseite, ermöglicht, da diese nun im Gesamtsystem keine Elastizität mehr aufzuweisen braucht.
Durch Verwenden einer formschlüssigen Verbindung anstelle einer Verschweißung findet darüber hinaus keine Materialvermischung an der Verbindungsstelle und keine Veränderung des Materials des Gehäuses des Anfahrelements oder des Drehmomentwandlers an der Stelle der Verbindung mit dem Führungszapfen statt, was das Risiko der Beschädigung des Gehäuses durch Ermüdungseffekte weiter verringert.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung beträgt die maximale Wandstärke des Blechs, aus dem der Führungszapfen geformt ist, weniger als 3 mm, um die gewünschten Elastizitätseigenschaften zu erzielen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die maximale Wandstärke auf 2 mm oder sogar auf 1 mm begrenzt sein, um den jeweiligen konstruktiven Anforderungen Rechnung zu tragen. Neben den genannten Feinblechen können bei weiteren Ausführungsbeispielen je nach Dimension der verwendeten nass- oder trocken laufenden Anfahrelemente aber auch Grobbleche mit Dicken von 3mm und mehr verwendet werden. Als Blech soll vorliegend, der üblichen Definition folgend, ein flaches Walzwerkfertigprodukt aus einem beliebigen Metall oder einer beliebigen Metalllegierung verstanden werden, das eventuell zusätzlich mit einer oder mehreren Oberflächenbeschichtungen versehen ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird der Führungszapfen mittels einer einzigen, im Zentrum des Führungszapfens angebrachten, d. h. also im Zentrum einer Grenzfläche zwischen Führungszapfen und Gehäuse angeordneten, formschlüssigen Verbindung hergestellt. Dies bewirkt, dass die auftretenden Hebelarme in allen möglichen Richtungen des Versatzes bzw. der Schwingung minimal sind und somit die minimal mögliche Krafteinleitung in das Gehäuse erfolgt, da die Verbindung bereits durch die gewählte Position der Anbindung biegeweich ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird, um die Verbindung flexibel und die Materialveränderung des Gehäusedeckels minimal zu halten, als formschlüssige Verbindung eine Tox-Verbindung verwendet. Bei der Tox-Verbindung, bei dem so genannten Toxen, werden die zwei miteinander zu verbindenden Bauteile übereinander gelegt und von einem Stempel in eine Matrix, die auf der dem Stempel gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, gepresst. Durch die Formgebung des Stempels und der Matrix wird das stempelseitige Material dazu gezwungen, das matrizenseitige Material zu hinterfließen und so eine formschlüssige Verbindung zu erzeugen. Dabei werden die zu verbindenden Materialien nicht miteinander vermischt, sodass keine Schwachstellen entstehen und sogar eventuelle Passivierungen oder Korrosionsschutzschichten, die auf den zu verbindenden Blechen angeordnet sind, bei der Verbindung erhalten bleiben.
Bei Gehäusen von Anfahrelementen, bei denen die Gehäusedeckel durch ein Tiefziehverfahren hergestellt wurden, wodurch sich die Dicke des Gehäusedeckels zur Mitte hin verringert, eignet sich das Tox-Verfahren zur Verbindung mit dem ebenfalls dünnwandigen Blechzapfen beispielsweise besonders, da Tox-Verbindungen vorteilhaft zwischen Blechen oder Materialien hergestellt werden können, deren Wandstärken ähnlich sind.
Bei einigen Ausführungsbeispielen weist der Führungszapfen an seinem von dem Gehäuse abgewandten Ende ferner eine Einführschräge auf, die das Zentrieren des Wandlergehäuses relativ zur Kurbelwelle oder dem zu verbindenden Aggregat erleichtert. Die Einführschräge kann dabei während der Herstellung des Führungszapfens bzw. des Drehmomentwandlers erzeugt werden.
Bei den Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses eines Drehmomentwandlers wird der bereitgestellte Gehäusedeckel mit dem bereitgestellten Führungszapfen formschlüssig verbunden.
Um eine hohe Präzision der Zentrierung zu erhalten, trotzdem der Führungszapfen beispielsweise aus kaltgeformtem Blech hergestellt wurde, kann der Führungszapfen bearbeitet werden, nachdem die formschlüssige Verbindung mit dem Gehäusedeckel durchgeführt wurde. Bei einem beispielsweise spanenden Bearbeiten führt dies dazu, dass durch die Bearbeitung eine sehr genaue Zentrierung des Wirkdurchmessers des Führungszapfens erreicht werden kann, da Gehäusedeckel und Zapfen in einer einzigen Aufspannung der Werkzeugmaschine bearbeitet werden.
Während des spanenden Bearbeitens, beispielsweise des Drehens, kann somit sowohl der vorgegebene Normdurchmesser des Führungszapfens erzeugt, als auch eine hoch genaue Zentrierung erreicht werden, selbst wenn der Führungszapfen aus einem kaltgeformten Blech besteht. Zusätzlich kann bei dem Bearbeiten des verbundenen Führungszapfens eine Einführschräge erzeugt werden, die eine leichte Montage des Drehmomentwandlers ermöglicht.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, Bezug nehmend auf die beigefügten Figuren, näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Hälfte eines Drehmomentwandlers; und
2 eine Ausschnittsvergrößerung der Schnittansicht von 1.
Da 2 also ausgewählte Komponenten von 1 zeigt, werden die beiden Figuren nachfolgend gemeinsam beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen identische oder funktionsähnliche Komponenten bezeichnen, so dass die in Bezug auf eine der Figuren gemachten Erläuterungen auch auf die entsprechenden Komponenten anwendbar sind, die in der anderen Figur gezeigt sind.
Da die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sich insbesondere auf die Anbindung eines Führungszapfens 6 zu dem mit ihm verbundenen Gehäuseteil bzw. Gehäusedeckel 4 des Gehäuses 2 eines Anfahrelements beziehen, wird nachfolgend auf eine detaillierte Diskussion der weiteren innerhalb des als Beispiel für ein Anfahrelement gezeigten Drehmomentwandlers vorhandenen Baugruppen verzichtet. Lediglich der Vollständigkeit halber sei hier also auf die für einen Drehmomentwandler typischen Komponenten, das Pumpenrad 8, das Turbinenrad 10 und das Leitrad 12, sowie auf den hier ebenfalls vorhandenen Torsionsschwingungsdämpfer 14 sowie die Wandlerüberbrückungskupplung 16 hingewiesen.
Der Gehäusedeckel 4 ist mit dem Führungszapfen 6 über eine einzige, bezüglich des Führungszapfens zentral angeordnete Tox-Verbindung 18 verbunden. Dabei soll hier als Gehäusedeckel 4 ohne Beschränkung der Allgemeinheit derjenige einstückige Teil des Gehäuses des Drehmomentwandlers verstanden werden, an dem der Führungszapfen 6 angebunden ist. Vorliegend ist der Gehäusedeckel 4 ebenfalls durch ein Tiefziehverfahren hergestellt, was zu der in 1 angedeuteten Verjüngung des Materialquerschnitts im zentralen Bereich des Gehäusedeckels 4 führt, so dass in diesem Bereich eine Verbindung mit dem Führungszapfen 6 aus Blech mittels einer Tox-Verbindung 18 zuverlässig und biegeweich herstellbar ist.
An dem von dem Gehäuse 2 bzw. von dem Gehäusedeckel 4 abgewandten Ende des Führungszapfens 6 weist dieser eine Einführschräge 20 auf, um eine Montage des Drehmomentwandlers auf einfache Art und Weise zu ermöglichen. Dabei kann die Einführschräge 20 während des Herstellungsprozesses des Führungszapfens 6 bei der Kaltumformung hergestellt werden oder diese kann, gemäß einem alternativen Verfahren, mittels spanender Bearbeitung des Führungszapfens 6 erfolgen, nachdem dieser bereits formschlüssig mit dem Gehäusedeckel 4, beispielsweise mittels der Tox-Verbindung 18, verbunden wurde.
Am Gehäusedeckel 4 ist ferner eine Flex-Plate 24, also ein flexibles Element, angebracht, mittels dessen der Gehäusedeckel 4 bzw. das Gehäuse 2 des Drehmomentwandlers mit einem Antriebsaggregat drehfest verbunden werden kann. Im gezeigten Beispiel ist die Flex-Plate 24 mittels einer formschlüssigen Durchdringungsnietung 22 mit dem Gehäusedeckel 4 verbunden. Zum Verbinden mit dem Antriebsaggregat zeigen die 1 und 2 ein Verbindungsmittel an der Flex-Plate, beispielsweise ein Gewindeloch bzw. eine Bohrung, durch die beispielsweise eine Schraube geführt werden kann.
Die Trennung der Flex-Plate 24 und des Führungszapfens 6 bewirkt, dass bei einem Führungszapfen 6 aus Blech wie gewünscht die Lagerung bezüglich des Antriebsaggregats überwiegend mittels der Flex-Plate 24 ohne zusätzliche Kraftübertragung durch den Führungszapfen 6 erreicht wird, was Materialermüdungen bzw. negative Einflüsse auf den Antriebsstrang verhindern kann.
Wie bereits im Vorhergehenden ausgeführt, wird durch die zentrale formschlüssige Verbindung eine biegeweiche Ausführung derselben erreicht, was sich im Betrieb auf die Dauerhaltbarkeit und Übertragung von Geräuschen (bis hin zur Lagerung beispielsweise des Drehmomentwandlers am Pumpenhals im Getriebe) positiv auswirkt. Die Flexibilität des Führungszapfens ist umso wichtiger, da bereits jetzt abzusehen ist, dass bei zukünftigen Schwungradausführungen, beispielsweise im Kfz-Bereich, eine größere axiale Steifigkeit des Schwungrades zu erwarten ist. Neben den oben genannten Vorteilen im Bezug auf die Kraftanbindung hat die Verwendung von Blech zur Herstellung des Führungszapfens auch produktionstechnische Vorteile, da damit die Herstellungskosten verringert werden können und aufgrund des Wegfalls von einer Vielzahl von spanenden Bearbeitungsschritten ein optimaler Materialeinsatz erzielt werden kann.
Wenngleich in den vorhergehenden Absätzen überwiegend für die Anbindung eines Drehmomentwandlers an ein Kraftfahrzeug bzw. einen Pkw diskutiert, wo der Drehmomentwandler als Anfahrelement dient, können erfindungsgemäße Drehmomentwandler mit Führungszapfen auch in beliebigen anderen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise im stationären Maschinenbau, im Lkw-Bereich, im landwirtschaftlichen Bereich usw.. Es versteht sich von selbst, dass in weiteren Anwendungen auch Drehmomentwandler verwendet werden können, die die in den Figuren exemplarisch gezeigten Torsionsschwingungsdämpfer und Wandlerüberbrückungskupplungen nicht aufweisen.
Bezugszeichenliste

2: Gehäuse
4: Gehäusedeckel
6: Führungszapfen
8: Pumpenrad
10: Turbinenrad
12: Leitrad
14: Torsionsschwingungsdämpfer
16: Wandlerüberbrückungskupplung
18: Tox-Verbindung
20: Einführschräge
22: Durchdringungsnietung
24: Flex- Plate/ Verbindungsblech
26: Verbindungsmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19812062 B4 [0005]
DE 3222119 C1 [0006]

Claims

Anfahrelement mit einem Gehäuse (4) und einem Führungszapfen (6) zum Zentrieren des Anfahrelements während einer Montage, wobei der Führungszapfen (6) aus einem Blech besteht und mittels einer formschlüssigen Verbindung (18) mit dem Gehäuse (4) verbunden ist.
Anfahrelement gemäß Anspruch 1, bei dem eine maximale Wandstärke des Führungszapfens (6) kleiner als 3mm ist.
Anfahrelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Führungszapfen (6) mittels einer einzigen, im Zentrum einer Grenzfläche zwischen Führungszapfen (6) und Gehäuse (4) angeordneten formschlüssigen Verbindung (18) mit dem Gehäuse (4) verbunden ist.
Anfahrelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Führungszapfen (6) mittels einer Tox-Verbindung mit dem Gehäuse (4) verbunden ist.
Anfahrelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Führungszapfen (6) an seinem von dem Gehäuse (4) abgewandten Ende eine Einführschräge (20) aufweist.
Anfahrelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner zumindest ein mit dem Gehäuse (4) verbundenes Verbindungsblech (24) aufweist, um das Anfahrelement über an dem Verbindungsblech (24) angeordnete Verbindungselemente (26) mit einem rotierenden Antriebsaggregat zu verbinden.
Anfahrelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anfahrelement eine Hydrokupplung oder einen hydrodynamischen Drehmomentwandler umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses (2) eines Anfahrelements, umfassend: Bereitstellen eines Führungszapfens (6) aus einem Blech; Bereitstellen eines Gehäusedeckels (4) des Gehäuses (2); und Formschlüssiges Verbinden des Führungszapfens (6) mit dem Gehäusedeckel (4).
Verfahren gemäß Anspruch 8, ferner umfassend: Bearbeiten, insbesondere spanendes Bearbeiten, eines Umfangs des Führungszapfens (6) nach dem formschlüssigen Verbinden, um einen zentrierten Führungszapfen (6) eines vorgegebenen Normdurchmessers zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem das Bereitstellen ein Formen des Führungszapfens (6) aus einem Blech umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem das Bereitstellen des Gehäusedeckels (4) ein Tiefziehen des Gehäusedeckels (4) aus einem Blech umfasst.