DE102010019976B4 - Planetenrad und Planetentrieb - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft ein Planetenrad mit wenigstens einem Zahnkranz und mit einer mit dem Zahnkranz verbundenen Nabe sowie einen Planetentrieb mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Planetenrad.
- Hintergrund der Erfindung
-
DE 30 46 934 A1 zeigt ein Planetentrieb, in dem Planetenräder auf einseitig gelagerten bzw. einseitig eingespannten Planetenbolzen gelagert sind. Die Planetenräder sind mit Abstand zu einer Zentralachse des Planetengetriebes angeordnet und um die Mittelachse des jeweiligen Planetenbolzens drehbar auf den Planetenbolzen gelagert. - Die Planetenbolzen können sich bei hohen Betriebsdrehmomenten aufgrund der angreifenden Zahnkräfte besonders in Umfangsrichtung um die Zentralachse des Planetengetriebes stark verformen. Dabei verlagert sich deren freies Ende. Da die Planetenräder aus einem massiven zylindrischen Grundkörper gebildet sind, an dem die Verzahnung umfangsseitig ausgebildet ist, sind diese relativ starr. Verlagerungen des Planetenbolzens führen daher zur Verlagerung der Planetenräder, ohne dass diese sich elastisch der Verformung des Planetenbolzens anpassen. Die Verlagerung der Planetenräder ist im Wesentlichen von der Größe der Spiele in der Lagerung der Planetenräder auf dem Planetenbolzen, vom Typ und der Elastizität der Lagerung, von den Zahneingriffspielen und von der Verformung der Planetenbolzen abhängig. Durch den Einfluss hoher Betriebsdrehmomente können die Planetenräder sich soweit verlagern, dass der Zahneingriff der Planetenräder mit dem jeweiligen Gegenzahnrad nicht mehr stimmt.
- Als Abstellmaßnahme für das vorgenannte Problem wird in
DE 30 46 934 A1 vorgeschlagen, die Durchbiegung der Planetenbolzen und die Verformungen des mit den Planetenrädern im Eingriff befindlichen Sonnenrads auszunutzen und aneinander anzupassen. Diese Maßnahme soll bewirken, dass die Durchbiegungen der Planetenbolzen und die Verformung der mit diesen Planetenrädern im Zahneingriff stehenden Sonne gezielt abgestimmt und aneinander angepasst werden können. Dieses Zusammenwirken der Verformungen soll zur gleichmäßigen Belastung der Verzahnungen und der Lagerungen des Planetengetriebes führen. Im Zahneingriff mit den Planeten stehen Sonnenräder oder Hohlräder. - Als Maßnahmen, mit denen die Durchbiegungen angepasst werden sollen, werden in
DE 30 46 934 A1 die gezielte Abstimmung von Spielen aufeinander, wie die Radialspiele in der Lagerung der Planetenräder auf die Spiele im Zahneingriff und auf die Axialspiele vorgeschlagen. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, die gehärtete Verzahnung der Planetenräder mit einer ungehärteten Verzahnung eines mit diesem verzahnten Hohlrades zu paaren. Es wird im zuletzt genannten Fall davon ausgegangen, dass sich die harte Verzahnung der Planetenräder der Durchbiegung entsprechend in die weiche Gegenverzahnung des Hohlrads eingräbt und so eine optimale Lastverteilung im Zahnkontakt mit einem Hohlrad erzielt wird. Als eine weitere Maßnahme wird vorgeschlagen, die Biege- bzw. Torsionssteifigkeit gezielt durch Ausbohren eines Sonnenrades zu beeinflussen, womit dessen Torsionssteifigkeit gezielt verringert werden kann, so dass sich die Verformungen der im Zahneingriff befindlichen Planetenräder und die des Sonnenrads aneinander angleichen. In diesem Zusammenhang wird auch vorgeschlagen, die Planetenbolzen abgestuft hohl zu gestalten. Bevorzugt werden in diesem Fall einseitig eingespannte Planetenbolzen, in denen der Durchmesser der Bohrung von dem freien Ende zum eingespannten Ende des Planetenbolzens hin abnimmt. Alternativ wird vorgeschlagen, den Durchmesser des Planetenbolzens von seinem freien Ende ausgehend zur Einspannung hin zu vergrößern. - Bekannt sind z. B. aus
US 3 303 713 A auch Planetentriebe, in denen Planetenräder drehbar auf einer Nabe sitzen. Die jeweilige Nabe ist auf dem jeweiligen Planetenbolzen befestigt. Die Nabe weist einen Abschnitt auf, der auf dem Planetenbolzen nicht abgestützt ist und einen Abschnitt, mit dem die Nabe auf dem Planetenbolzen befestigt ist. Da wo die Nabe nicht an dem Planetenbolzen befestigt ist, ist diese vollumfänglich radial frei zum Planetenbolzen beabstandet. Die Verzahnung des Zahnkranzes des Planetenrads erstreckt sich im Wesentlichen axial soweit, wie sich auch der nicht unterstützte Abschnitt der Nabe axial über dem Planetenbolzen erstreckt. Der Abstand zwischen der Nabe und dem Planetenbolzen ist so ausgelegt, dass darin die aus den Belastungen der Verzahnung resultierenden möglichen Verformungen des Planetenbolzens berücksichtigt sind. Ähnlich aufgebaute Planetentriebe sind auch ausGB 1 053 412 A GB 1 456 085 A GB 2 413 836 A JP H06-10 994 A - Aus
EP 0 003 894 A1 sind auslegerartig ausgeführte Zahnradlagerungen bekannt, die aus einer Nabe und einer Distanzhülse sowie einer Gleitlagerung des entsprechenden Zahnrades gebildet sind. Die Nabe und die Distanzhülse sind so zueinander angeordnet, dass die Distanzhülse konzentrisch in der Nabe sitzt, wobei die Nabe radial vollumfänglich radial frei zur Distanzhülse angeordnet ist. Distanzhülse und Nabe sind vorzugsweise gelenkig axial gegeneinander vorgespannt und gehäuseseitig einseitig fest gestützt. Die Planetenräder und deren Zahnkränze sind, wie auch schon die vorhergehenden Beispiele, radial auf dem nicht unterstützten Abschnitt der jeweiligen Nabe im Wesentlichen innenumfangsseitig ganzflächig aufsitzend gleitgelagert. - Zunächst war die Fachwelt bemüht, die Lagerstellen mit Wälzlagern so auszulegen, dass die am Planetenrad wirkenden Kräfte möglichst gleichmäßig und nur radial in die und mittig der Stützweite der Lagerung in die Lagerung eingebracht werden. Das war insbesondere bei der Verwendung von Rollen als Wälzkörper und hier insbesondere bei einreihigen Lagerungen von Bedeutung, da diese unter dem Einfluss von axialen Komponenten zum Verkippen neigen und dadurch unerwünschten Kantenlasten ausgesetzt sind. Bei zwei- oder mehrreihigen Lagerungen nehmen die Wälzkörper der einzelnen Reihen unterschiedliche Kräfte auf. Bei gleicher Dimensionierung der Wälzkörper ergeben sich je nach Belastung von Reihe zu Reihe unterschiedliche Lebensdauerwerte. Das führte im Interesse einer angestrebten hohen Gesamtlebensdauer der Lagerung zu kostspieligen Überdimensionierungen der weniger belasteten Lagerreihen.
- Als bekannte Lösungen zur Vermeidung dieser Probleme wurden Planetentriebe, in denen Planetenräder auf einer Nabe wälzgelagert sind, entwickelt. Beispiele dafür sind in
US 2003/0 008 748 A1 WO 2007/016 336 A2 - Die in
GB 2 413 836 A US 2003/0 008 748 A1 WO 2007/016 336 A2 - Moderne Leichtbau-Planetentriebe weisen in der Regel ein Gehäuse aus zwei miteinander verbunden Schalenelementen auf. Ein Beispiel eines derartigen Getriebes ist in
DE 10 2008 004 498 A1 beschrieben. Die Schalenelemente sind aus dünnwandigem Blech kalt geformt und beispielsweise miteinander vernietet. In dem Gehäuse sind Planetenräder und wahlweise auch ein oder zwei Sonnenräder aufgenommen. Die Planetenräder sitzen auf beidseitig im Gehäuse gelagerten Planetenbolzen. Die Gehäusehälften dienen demnach als Planetenträger. - Der Vorteil derartiger Planetentriebe liegt in deren kompakten Bauweise, in dem geringen Gewicht und in deren kostengünstiger Herstellung. Einflüsse aus Verformungen in Folge hoher Betriebsdrehmomente wirken sich besonders in diesen sogenannten Leichtbaudifferenzialen oder ähnlich gestalteten Planetentrieben unter Umständen gravierend aus, wenn dem nicht vorgebeugt wird.
-
3 zeigt in übertriebener Weise eine Simulation der Verformung des Gehäuses19 eines Leichtbau-Planetentriebs nach dem Beispiel ausDE 10 2008 004 498 A1 unter hohen Belastungen. Im Ausgangszustand sind die nicht verformten Gehäuseteile20 und21 mit gestrichelten Linien angedeutet. Unter dem Einfluss von Drehmomenten verformen sich die Gehäuseteile20 und21 und verändern dabei ihre Lage wie dargestellt gegeneinander. Die Flansche22 und23 werden dabei stark verformt und die Nietverbindungen24 sind dadurch hoch belastet. Die beidseitig im Gehäuse19 gelagerten Planetenbolzen25 , von denen aufgrund der besseren Übersichtlichkeit in3 nur einer dargestellt ist, werden stark ausgelenkt und verwunden. - In
DE 10 2008 004 498 A1 wird vorgeschlagen, die Verformung der Planetenbolzen schon bei der Herstellung der Planetentriebe zu berücksichtigen. Die Planetenbolzen sind im fertig montierten Planetentrieb von der parallelen Normalausrichtung abweichend gewollt schräg ausgerichtet. Richtung und Betrag der Schräglage sind an die vorhersehbaren Verformungen bei hohen Belastungen bestimmter Betriebszustände angepasst. Dabei ist die Abweichung von der Normallage auf vorher experimentell oder rechnerisch bestimmte Verformungen während definierter Betriebszustände mit hoher Belastung eingestellt. Während dieser Betriebszustände wird sich der Planetentrieb mit den anfangs bewusst schräggestellten Bolzen so verformen, dass die Planetenbolzen und Planetenräder unter hoher Belastung normal ausgerichtet sind und der Zahneingriff wieder stimmt. Damit ist die Schräglage der Bolzen nur den zu erwartenden Verformungen unter bestimmten hohen Belastungen angepasst, die nur einen Teil des üblichen Belastungszyklus des Planetentriebs ausmachen. Die Tragfähigkeit der Verzahnungen ist nur in diesen Betriebszuständen optimal und der Verschleiß gering. Mit einer derartigen Lösung wird in Kauf genommen, dass die Planetenbolzen, Planetenräder und damit der Zahneingriff in den übrigen durch geringere Belastungen gekennzeichneten Betriebszuständen des Belastungszyklus ständig von der Normallage abweichen und der Zahneingriff dementsprechend nicht stimmt. Das kann während des Betriebs nachteilig zu Geräuschen führen. Außerdem ist die Voreinstellung der Schräglage fertigungs- und montagetechnisch relativ kompliziert. - Beschreibung der Erfindung
- Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die vorgenannten Probleme zu beseitigen.
- Die Aufgabe ist nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
- Die Nabe ist teilweise axial zu dem Zahnkranz versetzt. Als Nabe ist im Sinne der Erfindung ein die Rotationsachse des Planetenrades umgebendes Rotationselement zu verstehen, welches über zylindrische, alternativ scheibenförmige oder speichenartige Abschnitte mit dem umfangsseitigen Zahnkranz radial verbunden ist, in welchem das innenzylindrische Loch axial ausgerichtet ist, über welches mittels des innenzylindrischen Lochs eine um die Planetenbolzenachse drehbare Wirkverbindung zwischen dem Zahnkranz des auf dem Planetenbolzen gelagerten Planetenrades und dem Planetenbolzen, beispielsweise über ein oder mehrere Lager in dem Loch, hergestellt werden kann und welches außen umfangsseitig nicht oder nur teils in den Zahnkranz integriert ist.
- Nabe und Zahnkranz sowie deren Verbindung sind entweder einteilig und einmaterialig aus dem Material des Planetenrades bzw. Zahnkranzes gebildet oder sie sind aus verschiedenen Materialien und Elementen auf geeignete Weise miteinander verbunden.
- Gemäß Erfindung ist ein Planetentrieb mit wenigstens einem an der Nabe auf einem Planetenbolzen abgestützten Planetenrad nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 vorgesehen. Der Planetenbolzen ist mit radialem Abstand zu einer Zentralachse des Planetentriebs wenigstens einmal radial abgestützt.
- Wenigstens ein Planetenrad mit mindestens einem Zahnkranz ist umfangsdrehbar auf einem Planetenbolzen über eine Nabe abgestützt. Der Planetenbolzen ist mit radialem Abstand zu einer Zentralachse des Planetentriebs radial entweder einseitig an einem Träger oder beidseitig an einem oder zwei Trägern abgestützt. Der Planetenbolzen ist endseitig oder alternativ zwischen seinen Enden an einem Träger oder zwei Trägern einseitig oder beidseitig aufgenommen. Der Träger kann beispielsweise eine Gehäusehälfte oder die Träger können die Gehäusehälften eines Gehäuses eines Leichtbau-Planetentriebs sein.
- Das Planetenrad ist über die axial zu dem Zahnkranz zumindest teilweise versetzte Nabe auf dem Planetenbolzen zumindest radial abgestützt und drehbar gelagert. Dabei ist ein axial zur Nabe versetzter axialer Abschnitt des Zahnkranzes oder der gesamte Zahnkranz vollumfänglich radial frei zum Planetenbolzen so beabstandet, dass dieser auch bei hohen Belastungen und Verformungen den Planetenbolzen nicht berühren kann. Das Planetenrad ist axial versetzt zur axialen Mitte des Zahnkranzes auf dem Planetenbolzen abgestützt. Das Planetenrad ist innenumfänglich des Zahnkranzes bzw. eines Teils des Zahnkranzes nicht radial auf dem Planetenbolzen abgestützt.
- Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens die Hälfte (in axialer Richtung betrachtet) der Gesamtbreite des Zahnkranzes nicht unterstützt. Zwischen dem sich innenumfangsseitig des Zahnkranzes anschließenden Material des Zahnkranzes und dem Planetenbolzen verbleibt vollumfangsseitig ein Radialspalt, der an engster Stelle größer ist als ein möglicher größter Radialspalt zwischen Planetenbolzen und Nabe in dem innenzylindrischen Loch der Nabe. Dabei können die Unterschiede im Durchmesser des Lochs der Nabe zu den Abmessungen des Radialspalts im Zentimeterbereich oder im Mikrometerbereich liegen.
- Das Planetenrad ist entweder direkt über die Innenwand des Lochs der Nabe an der Lagerstelle auf dem Planetenbolzen abgestützt oder mittels Wälzlagerung oder Gleitlagerung auf dem Planetenbolzen gelagert. Dabei ist es üblich, das Planetenrad ein, zwei oder mehrfach auf dem Planetenbolzen zu lagern. Die Lagerung der Nabe auf dem Planetenrad weist dann dementsprechend eine, zwei oder mehrere Lagerstellen auf. Die jeweilige Lagerstelle in Wälzlagerungen ist dabei durch eine oder mehrere axial nebeneinander angeordnete vollumfängliche Reihen Wälzkörper vom gleichen Typ und gleicher Abmessungen bzw. unterschiedlichen Typs oder unterschiedlicher Abmessungen gebildet.
- Beschreibung der Zeichnungen
- Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Planetentriebs1 in einem Längsschnitt entlang der Zentralachse2 des Planetentriebs1 geschnitten.2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III durch den Ausschnitt des Planetentriebs1 nach1 . Die Zentralachse2 ist axial ausgerichtet. - Der Planetentrieb
1 weist drei jeweils umfangsdrehbar auf jeweils einem Planetenbolzen3 über eine Nabe8 abgestützte Planetenräder4 auf, von denen nur eins bildlich dargestellt ist. Das jeweilige Planetenrad4 weist außenumfangsseitig einen Zahnkranz5 auf. Der jeweilige Planetenbolzen3 ist mit radialem Abstand R zu der Zentralachse2 des Planetentriebs1 radial an zwei Planetenträgern6 und7 abgestützt. Das Planetenrad4 ist über die axial zu dem Zahnkranz5 zumindest teilweise versetzte Nabe8 auf dem Planetenbolzen3 so radial abgestützt und drehbar gelagert, dass zumindest ein axial zur Nabe8 versetzter axialer Abschnitt5a des Zahnkranzes5 vollumfänglich radial frei zum Planetenbolzen3 beabstandet und nur über die Nabe8 auf dem Planetenbolzen3 abgestützt ist. Der radial nicht unterstützte Abschnitt5a des Zahnkranzes erstreckt sich axial über die Hälfte des Zahnkranzes5 . - Die Nabe
8 , welche teilweise axial zu dem Zahnkranz5 versetzt ist, ist mit dem Zahnkranz5 einteilig über einen Scheibenabschnitt5b verbunden, der sich radial zwischen der Nabe8 und dem Zahnkranz5 erstreckt. In der Nabe8 ist ein zur Rotationsachse9 des Planetenrades4 konzentrisches innenzylindrisches Loch10 axial ausgerichtet. Das Loch10 erstreckt sich axial bis unterhalb des Zahnkranzes5 und mündet axial in eine von dem Zahnkranz5 umfangsseitig umgebene Höhlung11 . Die Höhlung11 ist innenzylindrisch ausgebildet. Der die Rotationsachse9 kreuzende Innendurchmesser H der Höhlung11 ist größer als der Innendurchmesser P der Nabe8 :H > P - Der Zahnkranz
5 ist an dem radial zum Planetenbolzen3 freien Abschnitt5a axial versetzt zur Nabe8 mit einer Gegenverzahnung eines Hohlrades12 und eines Sonnenrades13 im jeweils berührenden Zahneingriff14 und15 verzahnt. Die Zahneingriffe14 und15 liegen sich an der Rotationsachse9 radial gegenüber. Das Planetenrad4 ist mittels der Nabe8 gegen Reaktionskräfte FPB am Planetenbolzen3 an der Lagerstelle16 abgestützt. Es greifen axial, um den Abstand LP versetzt zur Nabe8 , in den Zahneingriffen14 und15 Zahnkräfte FPH und FPS am Planetenrad4 an. Die Lagerstelle16 ist spielbehaftet und zeichnet sich durch das radiale Kippspiel S aus, um das der Planetenbolzen3 sich unter Einwirkung der mit dem axialen Doppelpfeil markierten Drehmomente T und daraus resultierender Kräfte Ft sowie der Kräfte FPH und FPS sich innerhalb der Nabe8 schräg stellen kann. Die mögliche Schrägstellung ist durch eine Differenz des Durchmessers P des Lochs10 in der Nabe8 und den Durchmesser B des Planetenbolzens3 (Kippspiel S) sowie durch die Stützbreite LB der Lagerstelle16 bestimmt. Bei Verkippung des Planetenbolzens3 in der Nabe8 innerhalb des Kippspiels S sind die Reaktionskräfte FBP an dem Planetenbolzen3 mit der Stützbreite LB zueinander axial versetzt und einander entgegen gerichtet. Die durch die gleichgerichteten Zahnkräfte FPH und FPS über den Abstand LP eingebrachten Momente werden durch Reaktionsmomente über die Reaktionskräfte FPB an der Stützbreite LB ausgeglichen:FPB × LP = FBP × LB 4 ferngehalten. - Dadurch, dass erfindungsgemäß zumindest ein axial zur Nabe versetzter axialer Abschnitt
5a des Zahnkranzes5 durch die Höhlung11 oder durch ein geringes Spiel vollumfänglich radial frei zum Planetenbolzen3 beabstandet ist, kann der Planetenbolzen3 außerhalb der Nabe8 ungehindert verkippen. - Der Planetenbolzen
3 ist an zwei axial zueinander beabstandeten sowie zum Abschnitt5a des Zahnkranzes5 axial versetzten Lagerstellen17 und18 radial abgestützt.
Claims (4)
- Planetentrieb (
1 ) mit wenigstens einem umfangsdrehbar auf einem Planetenbolzen (3 ) über eine Nabe (8 ) abgestützten Planetenrad (4 ) mit mindestens einem Zahnkranz (5 ), wobei der Planetenbolzen (3 ) mit radialem Abstand zu einer Zentralachse (2 ) des Planetentriebs (1 ) radial abgestützt ist und wobei das Planetenrad (4 ) über die axial zu dem Zahnkranz (5 ) zumindest teilweise versetzte Nabe (8 ) auf dem Planetenbolzen (3 ) so zumindest radial abgestützt und drehbar gelagert ist, dass zumindest ein axial zur Nabe (8 ) versetzter axialer Abschnitt (5a ) des Zahnkranzes (5 ) vollumfänglich radial frei zum Planetenbolzen (3 ) beabstandet und über die Nabe (8 ) drehbar auf dem Planetenbolzen (3 ) abgestützt ist. - Planetentrieb nach Anspruch 1, in dem Abschnitt (
5a ) sich axial über die Hälfte des Zahnkranzes (5 ) erstreckt. - Planetentrieb nach Anspruch 1, in welchem der Zahnkranz (
5 ) zumindest an dem radial zum Planetenbolzen (3 ) freien Abschnitt (5a ) axial versetzt zur Nabe (8 ) mit wenigstens einer Gegenverzahnung im berührenden Zahneingriff (14 ,15 ) verzahnt ist, wobei das Planetenrad (4 ) mittels der Nabe (8 ) gegen Reaktionen der axial versetzt zur Nabe (8 ) im Zahneingriff (14 ,15 ) am Zahnkranz (5 ) angreifenden Zahnkräfte auf dem Planetenbolzen (3 ) zumindest einmal radial abgestützt ist. - Planetentrieb nach Anspruch 1, in dem der Planetenbolzen (
3 ) an zwei axial zueinander beabstandeten sowie zum Abschnitt des Zahnkranzes (5 ) axial versetzten Lagerstellen (17 ,18 ) radial abgestützt ist.
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