Bezeichnung der Erfindung

Kompensationsvorrichtung

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Kompensationsvorrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter relativer axialer Lageänderungen zwischen zwei Bauteilen mit einem Hohlkörper mit einem Hohlraum, der zu einer Stirnseite eine öffnung aufweist, mit einem Dehnungsmaterial, das den Hohlraum zumindest teilweise ausfüllt, und mit einem Kolben, der durch die öffnung derart in Wirkkontakt mit dem Dehnungsmaterial steht, dass der Kolben bei thermisch bedingter Volumenänderung des Dehnungsmaterials eine axiale Bewegung ausführt.

Hintergrund der Erfindung

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

Dies ist insbesondere bei Anordnungen, bei denen eine präzise Lagerung erforderlich ist unerwünscht, weil sich dadurch die konstruktionsgemäß ge-

wünschten Betriebsbedingungen (z.B. Lagervorspannungen) verändern. Ein klassisches Beispiel für diese Problematik sind Kraftfahrzeuggetriebe, deren Gehäuse in der Regel aus Aluminium besteht, während die Getriebewellen aus Stahl gefertigt und mittels angestellter Kegelrollenlager gelagert sind.

Zur Kompensation dieses Effekts sind Vorrichtungen bekannt, die auf der Verwendung eines Materials basieren, dessen Temperaturkoeffizient weit höher ist als die Temperaturkoeffizienten der Maschinenbauteile. Ein dazu geeignetes Kunststoffmaterial ist unter dem Handelsnamen VITON ^® bekannt.

Die Deutsche Offenlegungsschrift DE 42 21 802 A1 offenbart eine Kompensationsvorrichtung mit einer im Längsteilschnitt etwa S-förmigen Gestalt. In jede Ringnut der S-Form ist ein umlaufender Kunststoffring mit hoher Wärmeausdehnung eingesetzt. Diese Kompensationsvorrichtung erfordert einen ver- gleichsweise großen axialen Bauraum.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 195 34 003 A1 ist eine Kompensationsvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, die einen kreisring- oder scheibenförmigen Hohlkörper und einen darin gleitenden Kolben umfasst. In den Hohlräumen des Hohlkörpers sind Dehnungselemente angeordnet. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist zur Erzielung eines ausreichenden axialen Bewegungshubs bzw. entsprechender, auf das Andruckelement ausgeübter Axialkräfte relativ viel Dehnungsmaterial erforderlich. Zudem ist auch diese Vorrichtung hinsichtlich ihres Raumbedarfs nicht optimal.

Aufgabe der Erfindung

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Kompensationsvorrichtung, die bei besonders geringem Bau- raumbedarf und bei Einsparung von Dehnungsmaterial relativ große axiale Längenänderungen kompensiert.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kompensationsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Demgemäß verjüngt sich der Hohlraum in axialer Richtung zur öffnung hin.

Durch die Verjüngung des Hohlraumes zur öffnung und damit zum Wirkbereich des Kolbens hin findet nach Art einer Düse eine mechanische übersetzung des Dehnungsverhaltens statt. Mit anderen Worten: Durch die Verjüngung führt eine Ausdehnung einer gleichen Dehnungsmaterialmenge im Vergleich zum Stand der Technik (DE 195 94 003 A1) zu einer deutlich größeren axialen Aus- dehnungs- bzw. Bewegungskomponente. Diese wird in geeigneter Weise auf den Kolben übertragen. Unter Wirkkontakt des Kolbens ist im Rahmen der vor- liegenden Erfindung ein unmittelbarer Kontakt eines Kolbenbereichs oder eine mittelbare Beaufschlagung des Kolbens zu verstehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen besonders hohen Kompensationswirkungsgrad aus und beansprucht bei gleicher Kompensati- onsfähigkeit im Vergleich zum Stand der Technik einen - insbesondere auch axial - wesentlich geringeren Bauraum.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kompensationsvorrichtung mit vergleichsweise wenigen und einfach zu fertigenden Einzelteilen auskommt. Sie eignet sich deshalb insbesondere für besonders kostenkritische Anwendungen, bei denen dennoch für eine zuverlässige thermische Kompensation gesorgt werden muss, wie beispielsweise bei Kraftfahrzeuggetrieben.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Hohlraum zumindest teilweise konische Gestalt hat. Die zuvor beschriebene übersetzungswirkung der Hohlraumgeometrie in axialer Richtung kann noch weiter gesteigert werden, indem der Hohlraum eine doppelt konische Gestalt hat. Bevorzugt kann der Hohlraum sich beispielsweise in axialer Richtung von einer

Abstütz- oder Gegenplatte oder einem Boden des Hohlraumes zunächst erweitern und sich zur öffnung hin dann wieder verjüngen. Diese allgemeine Ausgestaltung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „doppelt konisch" subsumiert.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umgreift der Kolben den Rand der öffnung. Beispielsweise kann sich der Kolben seitlich der öffnungsränder mit übergreifenden Falzen fortsetzen und damit dafür sorgen, dass sich auch bei hohen, von dem Dehnungsmaterial ausgeübten radialen Kräften auf den Hohlkörper die Hohlkörpergeometrie und insbesondere die öffnungsweite nicht verändern. Damit ist zuverlässig ein radiales Auffedern des Hohlkörpers vermieden, so dass sämtliche Volumendehnungen des Dehnungsmaterials in die gewünschte axiale kompensatorische Verschiebung des Kolbens umgesetzt werden.

Für die mechanische Stabilität und Bewegungszuverlässigkeit des Kolbens ist es vorteilhaft, wenn der Kolben einen sich in die öffnung erstreckenden Fortsatz aufweist.

Besonders bevorzugt ist der Kolben dabei so dimensioniert, dass der Fortsatz auch bei betriebsgemäß maximaler Ausdehnung des Dehnungsmaterials noch teilweise in der öffnung verbleibt.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Form des Fortsatzes so auf die öffnung abgestimmt ist, dass sich der Fortsatz spaltfrei in der öffnung bewegt. Dies hat den Vorteil, dass das Dehnungsmaterial auch bei Abkühlung (d.h. bei Kontraktion und Kolbenrückbewegung) nicht Gefahr läuft, in einen axialen Spalt zu geraten, in dem es verquetscht werden könnte.

Herstellungstechnisch bevorzugt sind der Hohlkörper und der Kolben als Blechformteile ausgebildet. Sie können insbesondere durch Stanzen und Biegen aus einem Blech hergestellt sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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 im Längsschnitt eine teilweise dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung;

Figur 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung im montierten Zustand in einer ersten Betriebssituation;

Figur 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung im montierten Zustand in einer zweiten Betriebssituation.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt im Längsschnitt nur den oberen Teil (insoweit also nur ein Viertel) einer ringförmigen geschlossenen Kompensationsvorrichtung, die als Haupt- elemente einen Hohlkörper 1 mit einem Hohlraum 2 und einem Ringkolben 3 umfasst. Der Hohlkörper ist als Hohlring ausgestaltet und weist zu seiner Stirnseite 4 hin eine öffnung 5 auf. Der Hohlraum 2 ist mit einem auch als Wärmedehnungsausgleichselement bezeichneten Material 8 - nachfolgend als Dehnungsmaterial bezeichnet - fast vollständig ausgefüllt.

Als Dehnungsmaterial kommt beispielsweise ein Elastomer in Frage, zum Beispiel das unter dem Handelsnamen VITON ^® bekannte und erhältliche Material. Dieses Material hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der deutlich größer ist als der Ausdehnungskoeffizient des Materials der Bauteile, deren relative axiale thermisch bedingte Lageänderung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung ausgeglichen werden soll.

Die Vorrichtung ist um ihre Längsachse 9 rotationssymmetrisch ausgebildet.

Der Hohlkörper 1 ist aus einem Blechteil durch Umbiegen der Seiten 10, 11 hergestellt und dabei mit der erfindungsgemäß verjüngenden Geometrie des Hohlraumes 2 versehen. Das in den Hohlraum 2 eingebrachte Material 8 kann dabei während der Formgebung des Hohlkörpers 1 oder auch anschließend beispielsweise durch Ausgießen des Hohlraumes 2 je nach Bedarf eingebracht werden.

Der Hohlraum 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass er sich in axialer Richtung A zur öffnung 5 hin verjüngt. Diese Verjüngung 12 wird nachfolgend auch Konus genannt. Dadurch weist der Querschnitt 14 des Hohlraumes 2 eine entsprechend konisch zulaufende Querschnittsfläche 15 auf. Mit dem Begriff Konus ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine Gestaltung der Querschnittsfläche 12 umschrieben, die beispielsweise nur eine schräge Seite 10 oder 11 aufweist. Erfindungsgemäß ist jedenfalls vorgesehen, dass die Querschnittsfläche 15 zur öffnung 5 hin abnimmt, so dass die Form des Hohlraumes 2 eine mechanische übersetzung für die Ausdehnungsbewegung des Materials 8 bewirkt. Die Verjüngung wirkt sozusagen als Düse in die Richtung der öffnung 5 hin.

Die öffnung ist von dem Ringkolben 3 bedeckt, der mit einem Fortsatz 22 in den vorderen Bereich 23 der öffnung 5 eindringt. Dabei ist der Fortsatz mit Blick auf das Ausdehnungsverhalten des Materials 8 und die Geometrie des Hohlraumes 2 so bemessen, dass er auch bei maximaler Ausdehnung des Dehnungsmaterials 8 noch teilweise in der öffnung 5 verbleibt. Damit ist eine besonders gute Führung und Abdichtung des Hohlraumes nach außen gewähr- leistet. Dies hat den Vorteil, dass keine Fremdstoffe eindringen und insbesondere das Dehnungsmaterial 8 nicht unerwünscht austreten bzw. in den Spaltbereich zwischen Fortsatz 22 und öffnung 5 eindringen kann. Dazu ist der Fortsatz 22 in seiner Passung so auf die öffnung 5 abgestimmt, dass er sich spaltfrei in der öffnung 5 bewegt.

Der Ringkolben hat im Wesentlichen scheibenförmige Gestalt, wobei sich in radialer Richtung gesehen beidseitig des Fortsatzes Vertiefungen oder Nuten 24, 25 befinden. In diesen Nuten sind die Endbereiche 26, 27 der Seiten 10, 11

aufgenommen und dienen einerseits so zusätzlich zur Führung des Kolbens 3. Ein weiterer wesentlicher Aspekt dieser Konstruktion ist andererseits, dass die Aufnahme der Endbereiche 26, 27 in den Nuten 24, 25 sicherstellt, dass der Hohlkörper 1 auch bei starker Ausdehnung des Dehnungsmaterials 8 nicht in radialer Richtung auffedert. Damit ist gewährleistet, dass sämtliche thermisch bedingten Volumenausdehnungen unmittelbar in eine axiale Bewegung des Kolbens 3 umgesetzt werden. Dies trägt neben der zuvor beschriebenen geometrischen Ausgestaltung des Hohlkörpers zu einer weiteren Wirkungsgradsteigerung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei.

Auch der Kolben 3 ist als Blechformteil hergestellt, indem die zuvor beschriebenen Geometrien durch Prägen und/oder Eindrücken aus einem scheibenförmigen Ausgangsblech erzeugt worden sind.

Die Figuren 2 und 3 zeigen im Längsschnitt ausschnittweise und schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung im montierten Zustand. Die im Zusammenhang mit Figur 1 ausführlich beschriebene Vorrichtung stützt sich einerseits in einer Ausnehmung 30 eines Aluminiumgehäuses 31 mit der Frontseite 34 des Kolbens 3 und andererseits mit der anderen Stirnseite 35 des Hohlkörpers 1 an einem Lageraußenring 36 ab. Der Lageraußenring ist Teil eines an sich bekannten Kegelrollenlagers 37, das eine Antriebswelle 42 in sogenannter X- Anordnung lagert. Man erkennt schematisch den mit der Antriebswelle 42 verbundenen Lagerinnenring 43 und eine in einem Käfig 44 gehaltene Kegelrolle 45. In Figur 2 ist dabei die Situation bei einer Betriebstemperatur von T = 20 ⁰ C dargestellt.

Demgegenüber ist - teilweise übertrieben - in Figur 3 die Anordnung gemäß Figur 2 bei einer Betriebstemperatur von T=120°C dargestellt. Aufgrund der Erwärmung hat sich insbesondere das Aluminiumgehäuse 31 in radialer und axialer Richtung erheblich ausgedehnt, was zu einem (übertrieben dargestellten) Spalt zwischen dem Lagerring 36 und der Ausnehmung 30 geführt hat. In entsprechender Weise hat sich der Abstand der Stirnfläche 46 des Lageraußenringes 36 von der Schulterfläche 47 der Ausnehmung 30 vergrößert. Ohne

zusätzliche Maßnahmen würde sich damit die voreingestellte Lagervorspannung verändern oder gar ein Lagerspiel auftreten. Dies würde zu einer erheblich verminderten Lagerlebensdauer, axialem Wellenschlag und nicht mehr idealem Zahnangriff etwaiger in dem Getriebe auf der Antriebswelle 42 gelager- ter Zahnräder führen.

Durch die Erwärmung hat sich auch das Dehnungsmaterial 8 erheblich ausgedehnt, wobei die gesamte Volumenzunahme wie vorstehend beschrieben in eine axiale Ausdehnung in Richtung A umgesetzt ist. Das Material 8 drückt da- mit unmittelbar auf den Fortsatz 22 des Kolbens 3 und hat diesen in entsprechender Weise in axialer Richtung A verschoben. Man erkennt dies an den Spalten 52, 53, die sich zwischen den Bodenflächen der Nuten 24 und 25 und den korrespondierenden Endbereichen 26,27 (vgl. auch Figur 1) des Hohlkörpers 1 gebildet haben. Dennoch ist der Fortsatz noch gut in der öffnung 5 auf- genommen.

Die Bewegung des Ringkolbens 3 hat zu einer Erhöhung der axialen Dimension L der Vorrichtung geführt, die gegenüber der ursprünglichen Ausdehnung I (Figur 2) so ausreichend groß ist, dass ein Lagerspiel zuverlässig verhindert ist und die gewünschte Lagervorspannung auch bei großen Temperaturschwankungen aufrecht erhalten wird. Wie die Zusammenschau der Figuren 2 und 3 verdeutlicht, führt eine Temperaturerhöhung zu einer starken Ausdehnung der Füllung des Hohlraumes 2, wodurch der als Klemmhülse fungierende Kolben 3 von dem Lageraußenring 36 weggedrückt wird. Aufgrund der Gestaltung des Kolbens ist sichergestellt, dass der Hohlkörper nicht radial auffedern kann, sondern die gesamte Ausdehnung der Dehnungsmaterial-Füllung der Axialkompensation zugute kommt. Durch die sich verjüngende Keilform bzw. den Konus des Hohlraumes 2 und damit der Form des Dehnungsmaterials 8 zeichnet sich die Vorrichtung bei einem hohen Kompensationsvermögen durch eine sehr geringe axiale Bauform aus.

0 ₀ Bezugszahlenhste

1 Hohlkörper

2 Hohlraum

3 Ringkolben

4 Stirnseite

5 öffnung

Dehnungsmaterial

9 Längsachse/axiale Richtung

10, 11 Seiten

12 Verjüngung

14 Querschnitt

15 Querschnittsfläche

22 Fortsatz

23 vorderer Bereich

24, 25 Nuten

26, 27 Endbereiche

30 Ausnehmung

31 Aluminiumgehäuse

34 Frontseite

35 Stirnseite

36 Lageraußenring

42 Antriebswelle

43 Lagerinnenring

44 Käfig

45 Kegelrolle

46 Stirnfläche

47 Schulterfläche

52, 53 Spalt

A Richtung

I Ausdehnung

L axiale Dimension