WELLENMODUL UND VERFAHREN ZUR MONTAGE EINES WELLENMODULS

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Wellenmodul, ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenmoduls und eine Getriebevorrichtung mit einem Wellenmodul gemäß Anspruch 1.

Hintergrund der Erfindung

Mit der EP 3296 147 A1 ist ein Abschnitt eines Antriebsstranges mit zwei Wellenmodulen der Gattung offenbart. Das eine Wellenmodul ist durch eine Zahnradwelle gebildet, an welcher die Welle und die Verzahnung in einem Stück ausgebildet sind. Die Verzahnung dieser Welle steht im Zahneingriff mit einer weiteren Verzahnung eines einem auf einer weiteren Welle sitzenden Zahnrades. Auch diese Welle ist als Zahnradwelle ausgebildet, welche integral mit einer Verzahnung versehen ist.

Beschreibung der Erfindung

Eines der Schwerpunktthemen der Technik unserer Zeit ist die CO2 Neutralität.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wellenmodul zu schaffen, mit welchem ein Beitrag für dieses Ziel geleistet werden kann.

Diese Aufgabe ist nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 und weiterer gelöst.

Die Erfindung ist wie folgt durch folgende Merkmale bestimmt: a. Das Wellenmodul weist eine Verzahnung und wenigstens zwei Lagersitze auf. Die Verzahnung ist für den Zahneingriff mit wenigstens einem Zahnrad einer Getriebevorrichtung, vorzugsweise eine Getriebevorrichtung eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Lagersitze sind Zonen an Bauteilen, an welchen Wälzlager wirken. Über Wälzlager wird das Wellenmodul gelagert. Lagersitze sehen wahlweise Sitze für Innenringe oder Außenringe von Gleit- oder Wälzlagern oder Gleitflächen oder Wälzlaufbahnen von Wälzlagern vor. b. Eine erste Verzahnung sitzt auf einer separat zu der Verzahnung ausgebildeten Nabe. Die Nabe ist ein Bauteil, welches sich vorwiegend in radialer Richtung erstreckt und die Verzahnung trägt bzw. die Verzahnung mit einem Lagersitz verbindet. Radial ist quer zur Rotationsachse des Wellenmoduls gerichtet. Die Rotationsachse des Wellenmoduls verläuft, unabhängig von ihrer tatsächlichen Lage im Raum, axial. c. Die erste Verzahnung und die Nabe sind mittels wenigstens einer Schweißverbindung miteinander verbunden. Schweißverbindungen sind punktuell oder als Schweißnähte mit oder ohne die Verwendung von Zusatzwerkstoffen ausgeführt. Eine Ausführungsvariante einer solchen Schweißverbindung ist eine um die Rotationsachse verlaufende Schweißnaht. d. Die Lagersitze sind an zu der Verzahnung separaten Bauteilen ausgebildet. Zur Verzahnung separate Bauteile sind z.B. wahlweise oder in Kombination Wellen, Naben, andere Verzahnungen oder Zahnräder. e. Eines der Bauteile und die Verzahnung sind durch wenigstens eine Schweißverbindung miteinander verbunden. Die Verzahnungen, Bauteile und Nabe sind vorzugsweise aus Stahl, welche analog zu c. miteinander verbunden sind.

Weiterhin ist vorgesehen, dass eine Schweißverbindung zwischen der Stirnseite eines Wellenstumpfest und der axialen Innenseite eines Verbindungsabschnittes innerhalb eines inneren Hohlraums zur Sicherung eines ersten Bauteils und der ersten Verzahnung vorgesehen ist. Zur Ausbildung des inneren Hohlraums ist es vorgesehen, dass die erste Verzahnung auf der, der Nabe entgegengesetzten Seite einen sich radial erstreckenden Verbindungsabschnitt aufweist. Der Verbindungsabschnitt weist weiter eine axiale Innenseite auf. Diese Innenseite ist der Stirnseite der Nabe entgegengesetzt positioniert und ist von dieser axial beabstandet. Auf diese Weise ist der Hohlraum radial innerhalb der Verzahnung gebildet. Er wird dabei axial durch die axiale Stirnseite einerseits und der Stirnseite des Wellenstumpfes zusamemen mit der Innenseite des Verbindungsabschnittes andererseits begrenzt.

Hierfür kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Wellenstumpf, gemeinsam mit der ersten Verzahnung zusammengeführt wird. Der radiale Verbindungsabschnitt der ersten Verzahnung liegt dafür radial außen an dem Wellenstumpf auf. Der Wellenstumpf selber kann sich dabei axial prinzipiell auch noch über die Innenseite des Verbindungsabschnittes hinaus erstrecken. Auf diese Weise wird im radialen Raum innerhalb der ersten Verzahnung ein von der anderen Seite zugänglicher Hohlraum gebildet, der eine Zugänglichkeit für ein Werkzeug der- art ermöglicht, dass eine Schweißverbindung radial zwischen dem Verbindungsabschnitt und dem Wellenabschnitt an der Innenseite des Verbindungsabschnittes und der radialen Außenseite des Wellenabschnittes hergestellt werden kann. Auf diese Weise ist diese Schweißverbindung im endgültig zusammengefügten Wellenmodul innerhalb des Hohlraums befindlich und keinen Einwirkungen von außerhalb ausgesetzt. Anschließend kann das zweite Bauteil mit der Nabe in die, sich durch die obige Verbindung gebildete Öffnung eingeführt werden. Durch eine, nun von außen zugängliche weitere Schweißnaht zwischen der ersten Verzahnung und der Nabe des zweiten Bauteils kann das Wellenmodul fertiggestellt werden.

Darüber hinaus sehen Ausgestaltungen der Erfindung vor: f. Eines der Bauteile ist als die Nabe ausgebildet. Die Nabe ist vorzugsweise ein Umformteil mit einen scheibenförmigen Rand und einem Ansatz, an welchem mindestens ein Lagersitz ausgebildet ist. g. Das Wellenmodul weist eine zweite Verzahnung auf. Das Wellenmodul ist mit mindestens zwei Verzahnungen versehen, von denen jede für sich für den Zahneingriff mit mindestens einem Zahnrad einer Getriebevorrichtung vorgesehen ist. Die Verzahnungen sind vorzugsweise zueinander koaxial auf der Rotationsachse angeordnet. Ein solches Wellenmodul eignet sich vorteilhaft für den Einsatz als Zwischenwelle in einem Mehrwellengetriebe oder als ein Mehrfachplanet in einem Planetengetriebe und ist vorzugsweise für den Einsatz in Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben oder Verbrennungsmotoren vorgesehen. Dies gilt auch für Hybridfahrzeuge mit kombinierten Antrieben. Durch die innenliegende Schweißverbindung zwischen der ersten Verzahnung und dem ersten Bauteil kann die zweite Verzahnung, insbesondere monolithisch am Außenumfang des ersten Bauteils so ausgebildet werden, dass sie axial unmittelbar an die Außenseite des Verbindungsabschnittes anliegt. An dieser Anlagefläche ist das zum einen keine Schweißverbindung mehr notwendig und in einer Ausführungsform der Erfindung auch nicht vorgesehen. Der Verbindungsabschnitt kann sich dann in radialer Richtung erstrecken, so dass die erste Verzahnung in axialer Richtung im Wesentlichen unmittelbar ohne axiale Beabstandung an die zweite Verzahnung anschließt. Auf diese Weise kann ein sehr leichtes Wellenmodul mit einer sehr kurzen axialen Ausdehnung gebildet werden. h. Die zweite Verzahnung ist mit der ersten Verzahnung verbunden. Die Verbindung der Verzahnungen ist vorzugsweise über wenigstens einen Preßsitz und/oder zumindest eine Schweißverbindung abgesichert. i. Eines der Bauteile weist die zweite Verzahnung auf. Die Verzahnung und wenigstens einer der Lagersitze sind einteilig-monolithisch aus Stahl miteinander gebildet. Eine Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Lagersitz eine Sitzfläche für den Sitz eines Lagerrings bereitstellt. Der Lagerring kann ein Außenring sein, ist aber bevorzugt ein Innenring. Ein Außenring ist innenumfangsseitig mit wenigstens einer Gleitfläche oder wenigstens einer Wälzlaufbahn versehen. Ein Innenring ist außenumfangsseitig mit wenigstens einer Gleitfläche oder Wälzlaufbahn versehen. Alternativ ist die Lauffläche direkt an einem Zapfen oder Wellenfortsatz eines der Bauteile ausgebildet, so dass auf den Innen- oder Außenring verzichtet werden kann. j. Die Verzahnungen, die Nabe und die Lagersitze sind als eine in sich selbst tragende Baueinheit miteinander in dem Sinne ausgebildet, dass diese direkt aneinander befestigt oder abgestützt sind, ohne dass eine tragende Welle als separates Bauteil erforderlich ist. k. Wenigstens eine Verzahnung ist an einem hohlen Zahnrad ausgebildet. Die hohlen Zahnräder sind wahlweise spanlos als Schmiedeteile oder Fließpressteile hergestellt. Danach können die Zahnräder, insbesondere die Verzahnungen, auch durch spanabhebende Verfahren nachbearbeitet werden. Es sind auch Zahnräder vorgesehen, welche mittels spanabhebender Verfahren hergestellt sind. Es sind auch Zahnräder vorgesehen, welche sowohl mit Bearbeitungsschritten spanloser und spanabhebender Bearbeitung hergestellt sind. l. Wenigstens einer der Lagersitze ist mit einer Laufbahn für Wälzkörper eines Wälzlagers versehen. Auf einen Lagerring kann dadurch aus Kosten- und/oder Bauraumgründen vorteilhaft verzichtet werden.

Insgesamt wird durch die axialen Innenseiten oder Stirnflächen der beteiligten Baugruppen, d.h. der beiden Zahnräder und der Nabe ein innerer Hohlraum ausgebildet. Innerhalb des Hohlraums kommt es zu keiner axialer Überlappung der beteiligten Baugruppen. Die Verzahnung des ersten Zahnrads befindet sich radial außerhalb des Hohlraums. Das erste Zahnrad weist in dem Bereich des Hohlraums eine radiale Dicke auf, die vorzugsweise kleiner als die radiale Ausdehnung der Nabe ist.

Mit der Erfindung ist weiterhin eine Getriebevorrichtung mit einem Wellenmodul nach den Merkmalen a. - e. vorgesehen, welche wahlweise zugleich nach einem der Merkmale f.-l. oder nach einer Kombination dieser Merkmale f.-l. ausgestaltet ist. m. Getriebevorrichtung, in welcher das Wellenmodul mittels wenigstens zwei über die Lagersitze abgestützten Wälzlagern in einem Gehäuse gelagert ist.

Die Erfindung sieht weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenmoduls vor, mit dem die Verzahnungen und die Nabe zu einer in sich selbst tragenden Baueinheit zusammengesetzt und durch Schweißverbindungen aneinander gesichert werden.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass mit derartigen Anordnungen auf eine Welle als tragendes Bauteil verzichtet werden kann. Das Gewicht des Zahnradmoduls ist also im Vergleich zu den Zahnradmodulen des Standes der Technik geringer. Außerdem ist mit dem Einsatz von hohlen Zahnrädern, welche über Naben getragen werden, das Gesamtgewicht des Zahnradmoduls reduziert. Es wird weniger Material bei der Herstellung benötigt. Die Bauteile sind einfach und kosteneinsparend herstellbar. Insgesamt wird, angeregt durch das verringerte Gewicht und die vereinfachte Herstellung eines derartigen Zahnradmoduls, mit einer derartigen Lösung ein Beitrag zur CO2 Reduktion geleistet.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 - ein Wellenmodul 1 in einem Längsschnitt entlang seiner Rotationsachse 18, Figur 2 -ein Wellenmodul 1 nach Figur 1 als eine Baueinheit mit Wälzlagern 6 und 7, Figur 3 - einen Ausschnitt einer Getriebevorrichtung 20 mit dem Zahnradmodul 1.

Figur 1 - Das Wellenmodul 1 weist eine erste Verzahnung 2, eine zweite Verzahnung 11 , eine Nabe 5 und zwei Lagersitze 3 und 4 auf.

Die erste Verzahnung 2 ist an einem innen hohlen ersten Zahnrad 22 ausgebildet. Die zweite Verzahnung 11 ist an einem innen hohlen zweiten Zahnrad 23 ausgebildet. Die erste Verzahnung 22 ist als Schrägverzahnung ausgeführt und an dem als Ringrad mit Außenverzahnung ausgeführten ersten Zahnrad 22 ausgebildet. Von dem Ringrad geht radial in Richtung der Rotationsachse 18 und um die Rotationsachse 18 umlaufender Verbindungsabschnitt 26 des Zahnrads 22 ab, welcher einteilig-einmaterialig mit dem ersten Zahnrad 22 ausgeführt ist, alternativ aber auch ein separates Bauteil sein kann.

Die zweite Verzahnung 11 am innen hohl ausgebildeten zweiten Zahnrad 23 ist als Schrägverzahnung ausgeführt. Der zweiten Verzahnung 11 schließt sich ein in Richtung des Lagersitzes 4 gerichteter sowie ein einteilig-einmaterialig mit dem zweiten Zahnrad 23 ausgebildeter Wellenstumpf 27 an, auf dem das erste Zahnrad 22 über den Verbindungsabschnitt 26 zentriert und abgestützt ist. Ein Lagersitz 3 in Form eines hohlzylindrischen Zapfens ist einteilig monolithisch mit dem zweiten Zahnrad 23 ausgebildet und weist eine außenzylindrische Fläche 21 auf.

Die Nabe 5 ist mit einem Lagersitz 4 versehen und weist einen radialen Flansch 24 auf. Der Lagersitz 4 ist im Wesentlichen konisch ausgeführt und weist innen eine innenkonische Fläche 25 auf. An dem Lagersitz 4 ist außenumfangsseitig eine außenkonische Laufbahn 13 ausgebildet. Der Laufbahn 13 schließt sich in Richtung des Flansches 24 eine Schulter 30 an. Das erste Zahnrad 22, das zweite Zahnrad 23 und die Nabe 5 sind zu einer innen hohlen und in sich selbst tragenden Baueinheit des Wellenmoduls 1 ausgebildet. Die Nabe 5 ist ein Bauteil 10, mit welchem die erste Verzahnung 2 verbunden ist. Das erste Zahnrad 22 ist außen auf einer außenzylindrischen Fläche 31 des Flansches 24 zentriert und dort unter Zuhilfenahme einer Schweißverbindung 32 befestigt. Das zweite Zahnrad 23 ist ein Bauteil 9, mit welchem das erste Zahnrad 22 bzw. die erste Verzahnung 2 verbunden sind. Das erste Zahnrad 22 und das zweite Zahnrad 23 sind wahlweise mittels einer Schweißverbindung 28 und/oder vorzugsweise der Schweißverbindung 29 miteinander verbunden. Die Schweißverbindungen 28, 29 und 32 können alternativ aus einer, einem oder mehreren mit radialem Abstand zur und umfangsseitig um die Rotationsachse 18 aufeinander folgenden Schweißzonen/Punkten oder aus umfangsseitig um die Rotationsachse 18 verlaufenden Ringnähten gebildet sein. Alternativ kann eines der Bauteile auch der Verbindungsabschnitt 26 sein, welcher alternativ mit dem zweiten Zahnrad und/oder dem ersten Zahnrad über eine der Varianten von Schweißverbindungen verbunden ist.

Beim Zusammensetzen der ersten Verzahnung 2 mit den Bauteilen 9 und 10 zu dem Wellenmodul 1 wird in einem ersten Schritt das erste Zahnrad 22 mit dem zweiten Zahnrad 23 verbunden, indem das erste Zahnrad 22 über den Verbindungsabschnitt 26 auf dem Wellenstumpf 27 aufgeschoben oder aufgepresst und damit zur Rotationsachse 18 zentriert wird. In einem zweiten Schritt werden das erste Zahnrad 22 und das erste Bauteil 9 über wenigstens eine Schweißverbindung 28 oder 29 aneinander befestigt bzw. gesichert. In einem nächsten Schritt wird dann die Nabe 5 in die erste Verzahnung 2 eingesetzt odereingepresst und dort mittels einer Schweißverbindung 32 befestigt oder gesichert.

Der Wellenstumpf 27 ragt axial in den radial inneren Bereich des ersten Zahnrades 22 hinein. Der Wellenstumpf (27) weist ferner eine axiale Stirnseite 40 auf. Das erste Zahnrad 22 weist eine erste Nabe 5 und eine zweite Nabe 44, hier gebildet durch den Verbindungsabschnitt 26 auf. Die axialen Innenseiten 41 , 42 der beiden Naben 5,44 sind voneinander beabstandet, so dass sich ein hohler Innenraum, bzw. Hohlraum 43 radial innerhalb der Verzahnung 2 bildet. Die Stirnseite 40 des Wellenstumpfes 27 weist eine axiale Position auf, so dass sie nicht axial in den Hohlraum 43 hineinragt und axial mit der axialen Innenseite 40 des Verbindungsabschnittes 26 abschließt.

Insgesamt wird durch die axialen Innenseiten 41 , 42 und Stirnseiten 40 der beteiligten Baugruppen, d.h. der beiden Zahnräder 22, 23 und der Nabe 5 ein innerer Hohlraum 43 ausgebildet. Innerhalb des Hohlraums 43 kommt es zu keiner axialer Überlappung der beteiligten Baugruppen. Die Verzahnung des ersten Zahnrads 22 befindet sich radial außerhalb des Hohlraums 43. Das erste Zahnrad 22 weist in dem Bereich des Hohlraums 43 eine radiale Dicke auf, die kleiner als die radiale Ausdehnung der Nabe 5 ist.

Außer durch den Wellenstumpf 27 und der axialen Ausdehnung des Verbindungsabschnitts 26 kommt es zu keinen Überlappungsbereichen der beiden Zahnräder 22, 23. Insbesondere sind keine Teile der anderen beteiligten Baugruppen radial innerhalb einer der Verzahnungen 2 und 11 vorgesehen.

Figur 2 - Das Wellenmodul 1 kann als Baueinheit mit den Wälzlagern 6 und 7 versehen sein. Das Wälzlager 6 ist ein Kegelrollenlager mit einem Innenring 12, Kegelrollen 15, einem Käfig 8 und einem Außenring 16. Der Innenring 12 sitzt außen auf der außenzylindrischen Fläche 21 und weist außenumfangsseitig eine Laufbahn 19 für die Kegelrollen 15 auf. Das Wälzlager 7 ist auch ein Kegelrollenlager mit einem Außenring 33, mit als Kegelrollen 34 ausgeführten Wälzkörpern 14 und mit einem Käfig 35, dessen eine Laufbahn für die Kegelrollen 34 jedoch direkt auf dem Lagersitz 4 als die konische Laufbahn 13 ausgebildet ist. Die Schulter 30 ersetzt dabei einen Bord, wie dieser in üblicher Weise an Innenringen von Kegelrollenlagern vorgesehen ist.

Figur 3 - Die Getriebevorrichtung 20 weist ein Gehäuse 17 auf in welchem das Wellenmodul 1 mittels der Wälzlager 6 und 7 gelagert ist. Ein Zahneingriff der ersten Verzahnung 2 ist in der Ansicht verdeckt und deshalb nicht sichtbar. Die zweite Verzahnung 11 steht im Zahnein- griff beispielsweise mit einer Verzahnung 36 auf einem Differenzialkorb 37 eines nicht weiter abgebildeten Differenzials.

Bezugszeichenliste

1 Wellenmodul

2 erste Verzahnung

3 erster Lagersitz

4 zweiter Lagersitz

5 Nabe

6 Wälzlager

7 Wälzlager

8 Käfig

9 Bauteil

10 Bauteil

11 zweite Verzahnung

12 Innenring

13 Laufbahn

14 Wälzkörper

15 Kegelrollen

16 Außenring

17 Gehäuse

18 Rotationsachse

19 Laufbahn

20 Getriebevorrichtung

21 außenzylindrische Fläche

22 erstes Zahnrad

23 zweites Zahnrad

24 Flansch

25 innenkonische Fläche

26 Verbindungsabschnitt

27 Wellenstumpf

28 Schweißverbindung

29 Schweißverbindung

30 Schulter

31 außenzylindrische Fläche

32 Schweißverbindung

33 Außenring

34 Kegel rolle 35 Käfig

36 Verzahnung

37 Differenzialkorb

40 Stirnfläche 41 Stirnfläche

42 Innenseite

43 Hohlraum