Bezeichnung der Erfindung

Kompensationsvorrichtung

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Kompensationsvorrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter relativ axialer Lageänderungen zwischen zwei Bauteilen mit einem axialbeweglichen Andruckelement und mit einem Gegenelement, zwischen denen in Umfangsrichtung verteilt mehrere Dehnungselemente angeordnet sind, deren temperaturabhängige Volumenänderungen eine Axialkraft auf das Andruckelement bewirken.

Bei Vorrichtungen oder Maschinen, deren einzelne Bauteile aus Werkstoffen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung, d.h. unterschiedlichem Temperaturkoeffizienten, bestehen, treten bei änderungen der Maschinenbetriebstempera- tur unterschiedliche relative Lageänderungen der Bauteile auf.

Dies ist insbesondere bei schnelllaufenden Maschinen oder Anordnungen, bei denen eine präzise Lagerung erforderlich ist, wie z.B. Kraftfahrzeuggetrieben, unerwünscht, weil dadurch die konstruktionsgemäß gewünschten Betriebsbe- dingungen - wie beispielsweise Lagervorspannungen - verändert werden. Ein klassisches Beispiel für diese Problematik sind Kraftfahrzeugdifferentiale, deren Gehäuse in der Regel aus Aluminium besteht, während die Getriebewellen aus Stahl gefertigt und mittels angestellter Kegelrollenlager gelagert sind. Dadurch erhöht oder vermindert sich die jeweilige Lagervorspannung in uner- wünschtem Maße.

Zur Kompensation dieser unerwünschten Effekte sind Vorrichtungen bekannt, die auf der Verwendung eines Materials basieren, dessen Temperaturkoeffi- zient weit höher ist als die Temperaturkoeffizienten der Maschinenbauteile.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 42 21 802 A1 ist eine thermische Kompensationsvorrichtung bekannt, um die für Kegelrollenlager notwendige axiale Vorspannungen in allen Betriebszuständen zu gewährleisten. Dazu ist ein Fassungsring mit im Teilschnitt etwa S-förmiger Gestalt vorgesehen, wobei in jede der durch die axialen Schenkel der S-Form gebildeten Ringnut ein um- laufender Kunststoffring mit hoher Wärmeausdehnung eingesetzt ist. Ein geeignetes Kunststoffmaterial ist das unter dem Handelsnamen VITON® bekannt gewordene Material, das allerdings relativ teuer ist und dadurch zu vergleichsweise hohen Kosten der bekannten Vorrichtung führt. Außerdem erfordert die konzentrische Anordnung der beiden Kunststoffringe einen vergleichsweise großen axialen Bauraum.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 195 34 003 A1 ist eine Kompensationsvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Um thermisch bedingte relative axiale Lageänderungen zwischen mindestens zwei Bauteilen aus- zugleichen, umfasst diese Vorrichtung einen Hohlkörper und einen darin gleitenden Kolben. In dem Hohlkörper sind mehrere Dehnungselemente in Um- fangshchtung segmentweise, vorzugsweise äquidistant verteilt angeordnet. Die Dehnungselemente können Kreisbogenform, Nierenform oder Zylinderstiftform haben. Auch bei dieser bekannten Vorrichtung ist zur Erzielung eines ausrei- chenden axialen Bewegungshubs bzw. entsprechender, auf das Andruckelement ausgeübter Axialkräfte relativ viel Dehnungsmaterial erforderlich. Zudem ist auch diese Vorrichtung hinsichtlich ihres radialen Raumbedarfs nicht optimal.

Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Kompensationsvorrichtung, die bei geringem radialen Bauraumbedarf und materialsparend realisierten Dehnungselementen relativ große axiale Längenänderungen kompensiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kompensationsvorrich- tung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Demgemäß weist die Kompensationsvorrichtung ein Zwischenelement auf, das sich axial zwischen dem Andruckelement und dem Gegenelement befindet. Das Zwischenelement ist in axialer Richtung betrachtet beiderseitig - das heißt auf seinen beiden Stirnseiten - mit Ausnehmungen versehen. In diese Ausnehmungen sind die Dehnungselemente möglichst formschlüssig eingesetzt. Die so gehaltenen Dehnungselemente stützen sich jeweils an einer Abstützfläche des Zwischenelementes bzw. an einer Grenzfläche der jeweiligen Ausnehmung ab.

Auf diese Weise bewirken temperaturbedingte Volumenänderungen der auf beiden Seiten des Zwischenelements angeordneten Dehnungselemente eine sich addierende axiale Expansions- bzw. Kontraktionswirkung. Mit anderen Worten: Sowohl das Andruckelement als auch das Gegenelement bewegen sich gegensinnig (d.h. aufeinander zu bzw. voneinander weg), wenn die Dehnungselemente temperaturbedingte Volumenänderungen erfahren. Je nach mechanischer Betrachtungsweise kann man also sagen, dass bei ortsfest angenommenem - z.B. an einem Absatz einer Lagerbohrung anliegendem - Gegenelement das Andruckelement eine Relativbewegung ausführt, die sich aus der axialen Volumenänderung der zwischen Andruckelement und Zwischenelement einerseits und der zwischen Zwischenelement und Gegenelement an- dererseits angeordneten Dehnungselementen summiert.

Dadurch erfordert die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise neben einem geringen axialen Bauraum insbesondere auch nur einen geringen radialen Bauraum. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrich- tung besteht darin, dass durch die Anordnung der Dehnungselemente auf verschiedenen Seiten des Zwischenelements vergleichsweise kleine und damit kostengünstigere Dehnungselemente verwenden werden können, die in Sum-

me einen gegenüber dem Stand der Technik geringeren Materialaufwand bei gleicher Kompensationsfähigkeit erfordern.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Abstützflächen der Ausnehmungen auf der einen Stirnseite gegenüber den Abstützflächen der Ausnehmungen auf der anderen Seite des Zwischenelementes relativ zueinander axial aufeinander zu derart versetzt, dass die Ausnehmungen sich in axialer Richtung zumindest teilweise überlappen bzw. damit parallel erstrecken. Dies führt zu einer weiteren Verminderung des axialen Bauraumbedarfs.

Eine mechanisch besonders gleichmäßig wirkende und stabile Vorrichtung lässt sich nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch realisieren, dass die Ausnehmungen in Umfangshchtung gesehen stirnseitig alternierend angeordnet sind. Es ist also im Verlauf der Umfangsrichtung nur jede zweite Ausnehmung in die jeweils gleiche Richtung (Stirnseitennormale) orientiert.

Fertigungstechnisch bevorzugt sind die Ausnehmungen im Wesentlichen quaderförmig mit radial verlaufenden Längsachsen. Dadurch bilden sich quasi quaderförmige Taschen, die in der Herstellung und Bestückung vorteilhaft sind.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen das Andruckelement und das Gegenelement den Ausnehmungen geometrisch angepasste Stempel auf. Das Zwischenelement übt damit neben seiner Haltefunktion für die Dehnungselemente zusätzlich eine koaxiale Führungsfunktion für das Andruckelement und das Gegenelement aus.

Besonders bevorzugt können das Andruckelement und das Gegenelement identische Bauteile sein, was stückzahlbedingt zu Fertigungsvorteilen führt.

Weiter bevorzugt sind das Andruckelement, das Gegenelement und insbesondere das Zwischenelement ringförmig ausgeführt. Das Zwischenelement bildet damit quasi eine Dehnungsscheibe, die beidseitig von Kolbenscheiben ver-

schlössen ist, die mit Fortsätzen, insbesondere mit den erwähnten Stempeln, in die Ausnehmungen oder Taschen des Zwischenelementes eintauchen. Die Kolbenscheiben werden axial nach außen gedrückt, sobald sich die Dehnungselemente in dem Zwischenelement ausdehnen und üben dabei eine sehr gleichmäßige konzentrische Kraft auf das kompensationsbedürftige Maschinenteil - beispielsweise ein Kegelrollenlager - aus.

Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich auch oder ergänzend aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Dabei zeigen in jeweils perspektivischer Ansicht:

Figur 1 ein Zwischenelement einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Teilschnitt,

Figur 2 ein mit Dehnungselementen bestücktes Zwischenelement im Teilschnitt,

Figur 3 ein Andruckelement einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 4 in Explosionsdarstellung wesentliche Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Figur 5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung im montierten Zustand im Teilschnitt.

Die Figuren zeigen eine Vorrichtung bzw. deren Hauptbestandteile zur Kompensation von thermisch bedingten relativen axialen Längenänderungen zwi- sehen zwei - hier nicht dargestellten - Bauteilen. Diese Bauteile können beispielsweise ein Lagerring eines Kegelrollenlagers, insbesondere bei der Anwendung in einem Differential oder Verteilergetriebe eines Kraftfahrzeuges

einerseits und das das Lager aufnehmende Getriebegehäuse andererseits sein.

In Figur 1 ist ein Zwischenelement 1 mit in axialer Richtung A gesehen gege- nüberliegenden zwei Stirnseiten 2, 3 dargestellt. Auf jeder Stirnseite 2, 3 sind Ausnehmungen 4 vorgesehen, die einen im Wesentlichen quaderförmigen Hohlraum oder Aufnahmeraum 5 für in Figur 1 nicht dargestellte Dehnungselemente bilden. Die Ausnehmungen 4 sind in Form von Taschen 7 gestaltet und haben jeweils einen Taschenboden 8. Wie der obere Teilschnitt der Figur 1 erkennen lässt, besteht das Zwischenelement 1 im Wesentlichen aus einem umlaufenden, mäanderförmig gestalteten Steg 10, der an der inneren 12 und äußeren Umfangsseite 14 jeweils durch einen Mantelring 15, 16 begrenzt ist. Insoweit bildet der Steg 10 mit den Mantelringen 15, 16 die Begrenzungen der Ausnehmungen 4. Durch den mäanderförmigen Verlauf des Steges 10 sind die Begrenzungen der Ausnehmungen 4 bzw. Taschen 7 bzw. der jeweilige Taschenboden 8 gebildet. Die Ausnehmungen auf der Stirnseite 2 alternieren mit den Ausnehmungen auf der Stirnseite 3. Mit anderen Worten: In Umfangsrich- tung U gesehen ist jede zweite Ausnehmung mit ihrer öffnung 20 zur Stirnseite 2 hin orientiert, während entsprechend alternierend jede zweite Ausnehmung 4 mit ihrer öffnung 21 zur Stirnseite 3 hin orientiert ist. Dabei sind die Taschenböden 8 in axialer Richtung A aufeinander zu versetzt, so dass die Ausnehmungen 4 mit ihrem Aufnahmeraum 5 zumindest teilweise in axialer Richtung A gesehen überlappend bzw. parallel angeordnet sind.

Figur 2 zeigt in entsprechender perspektivischer Ansicht das Zwischenteil 1 , wobei insbesondere in der Teilschnittdarstellung erkennbar ist, dass die Ausnehmungen 4 mit beidseitig eingebrachten Dehnungselementen 22 ausgefüllt sind. Man erkennt dabei, dass die in axialer Richtung A sich erstreckende Höhe der Dehnungselemente 22 etwas geringer bemessen ist als die Tiefe t der Ausnehmungen 4 bzw. der Aufnahmeräume 5. Die Dehnungselemente 22 stützen sich jeweils mit ihrem Fußbereich 23 am jeweiligen Ausnehmungs- bzw. Taschenboden 8, der insoweit eine Abstützfläche 24 bildet, ab. Die Dehnungselemente 22 sind in ihren Ausmaßen so bemessen, dass sie die Ausnehmun-

gen 4 vollständig in radialer Richtung ausfüllen, so dass etwaige Volumenän- derungen gezwungenermaßen nur in Axialrichtung A und zwar zur jeweiligen öffnung 20, 21 der Ausnehmungen 4 hin möglich sind.

Figur 3 zeigt ein Andruckelement 30, das im Wesentlichen aus einer scheibenförmigen Basis 31 und sich davon in axialer Richtung A erstreckenden annähernd quaderförmigen Fortsätzen 32 besteht. Die Fortsätze 32 sind in ihrer Geometrie auf den Bereich der öffnungen 20 (Figuren 1 und 2) abgestimmt und bilden insoweit Stempel 33, die in den öffnungen bzw. Ausnehmungen 4 axial gleiten können.

Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung vor der Montage ihrer wesentlichen Einzelteile, nämlich dem ringförmigen Zwischenelement 1 , dem ringförmigen Andruckelement 30 und einem ringförmigen Gegenelement 40. Ge- genelement 40 und Andruckelement 30 (Figur 3) sind identisch ausgebildet. Damit kann auch das Gegenelement 40 in entsprechender Weise mit seinen sich von einer scheibenförmigen Basis 41 erstreckenden Fortsätzen 42 in Art von Stempeln 43 in den öffnungen 21 der Ausnehmungen 4 in axialer Richtung A gleiten.

Figur 5 zeigt schließlich eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit etwas übertrieben dargestelltem Abstand des Andruckelements 30 und des Gegenelements 40 mit dazwischen angeordnetem Zwischenelement 1. Man erkennt in dem oberen Teilschnitt 50 der Figur 1 sehr gut, wie die Stempel 43 bzw. 33 des Gegenelements 40 bzw. Andruckelements 30 in die korrespondierenden Ausnehmungen 4 oder Taschen 7 eingreifen und mit den Dehnungselementen 22 in Wirkkontakt stehen.

Wenn die aus einem Elastomer, vorzugsweise VITON®, bestehenden Deh- nungselemente sich infolge Temperaturerhöhung ausdehnen, wirkt sich diese

Ausdehnung in an sich bekannter Weise aufgrund der bis auf die öffnung 20,

21 allseitigen Kapselung oder Einfassung der Dehnungselemente 22 aus-

schließlich in axialer Richtung A aus. Dabei ergibt sich die axiale Längenänderung der Dehnungselemente nach der Beziehung

δh= 3-α-h-δT

worin: α : Temperaturkoeffizient der Dehnungselemente 22 h : Axialerstreckung (Höhe) des Dehnungselements δT: Temperaturänderung bedeuten.

Dabei erstrecken sich die Dehnungselemente 22 jeweils entgegengesetzt auf der jeweiligen Stirnseite 2 bzw. 3 des Zwischenelements 1 in axialer Richtung A und stützen sich wie beschrieben an den jeweiligen Taschenböden 8 ab. Auf diese Weise addieren sich ihre Längenänderungen zu einer relativen axialen Bewegung des Andruckelements 30 gegenüber dem Gegenelement 40.

Mit den abwechselnd am Umfang U verteilten Dehnungselementen 22 jeweils unterschiedlicher Wirkrichtung lässt sich bei minimiertem radialen Bauraumbedarf eine erhöhte Axialkompensationsfähigkeit erreichen, wobei durch die axial versetzen Taschenböden 8 auch der axiale Bauraumbedarf optimiert ist.

Insgesamt zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch einen relativ geringen Bedarf an Dehnungsmaterial für die Elemente 22 aus. Andruckelement 30 bzw. Gegenelement 40 fungieren dabei als Profilscheiben oder KoI- benscheiben und bewirken eine sehr gleichmäßige Aufbringung der Axialkraft auf das zu kompensierende Bauteil, beispielsweise den Außenring eines Kegelrollenlagers, der direkt an dem Andruckelement 30 anliegen kann.

Bezugszeichenliste

1 Zwischenelement

2, 3 Stirnseiten

4 Ausnehmungen

5 Aufnahmeraum

7 Taschen

8 Taschenboden

10 Steg

12 äußere Umfangseite

14 innere Umfangseite

15, 16 Mantelring

20 öffnung

21 öffnung

22 Dehnungselement

23 Fußbereich

30 Andruckelement

31 scheibenförmige Basis

32 Fortsätze

33 Stempel

40 Gegenelement

41 scheibenförmige Basis

42 Fortsätze

43 Stempel

50 Teilschnitt

A axiale Richtung

U Umfangsrichtung t Tiefe