Planetenradsatz: Schaeffler Kolloquium

256
257
Neue Lösungen im Planetengetriebe
zeigen überraschende Potenziale
N O D H I O E A S M I O u e n l O A N G A D F J G I O J E R U I N K O P J E W L S P N Z A D F T O I Teil
E O 1:
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18
258
Einleitung
Im Bestreben, die CO 2 -Emissionen des
Individualverkehrs zu reduzieren, haben
Automobilindustrie und Zulieferer bereits
zahlreiche Innovationen umgesetzt. Dazu
zählen allgemeine Leichtbaumaßnahmen
und Optimierungen des Abgasstrangs
ebenso wie zahlreiche Detaillösungen in
der Motorentechnik. Auch die Getriebetechnik trägt seit vielen Jahren zu einer
kontinuierlichen Reduzierung von Verbrauch und Emissionen bei. Dies ging bislang in der Regel mit einer Erhöhung der
Gangzahl einher. Aus dieser Gangzahlerhöhung beziehungsweise kleineren Spreizung ergibt sich ein komfortablerer,
weicherer und kaum spürbarer Schaltvorgang. Gleichzeitig wurden mit jedem zusätzlichen Gang Verbrauchseinsparungen
und Emissionsreduzierungen in Höhe
mehrerer Prozentpunkte realisiert durch
die Annährung an die optimale Zugkrafthyperbel (Bild 1).
Durch die Erhöhung der Gangzahl stieg
tendenziell auch die Anzahl der Planetenradsätze im Stufenautomatikgetriebe, wobei dieser Trend durch intelligente Schaltung der Kraftflüsse nicht linear zur
Kraftstoffverbrauch in %
100 % (Basis: 3-Gang)
-6
-2
-5
-3
-6
4-Gang 5-Gang 6-Gang 6-Gang 8-Gang
Gen I
Gen II
Bild 1
18
Planetengetriebe 1
Verbrauchseinsparung entsprechend der
Getriebeentwicklung
Gangzahl verlief. Der Bauraum des Getriebes blieb dabei jedoch konstant. Deshalb
mussten die einzelnen Getriebekomponenten kleiner beziehungsweise kompakter
werden. Aus dieser Forderung entstanden
nicht selten besondere Herausforderungen
bei Konstruktion und Auslegung der Komponenten. Gleichzeitig stiegen die Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe und
die Produktionstechnik.
Durch die kontinuierliche Optimierung
von Planetenrad- und Axialnadellagern
konnte Schaeffler in der Vergangenheit
deutliche Beiträge zur Emissions- und Verbrauchsreduzierung leisten. Neuere Untersuchungen zeigen, dass selbst unscheinbar
wirkende Neuentwicklungen große Potenziale entfalten können. Jüngstes Beispiel ist
ein neues Axialnadellager zur Planetenradabstützung. Die Entwicklung gilt als Novum in der Wälzlagertechnik und kann bei
geringen Mehrkosten bis zu 1 g CO2 /km
einsparen helfen.
Trends und
Herausforderungen
Die Weiterentwicklung der Getriebetechnik
hat die nachfolgenden Anforderungen an
moderne Planetenradsätze über die Jahre
um mehr als 50 % steigen lassen. Denn
der Verbrauch lässt sich nur durch kleinere
Drehzahlsprünge reduzieren. Dies bedingt
im Getriebe eine höhere Spreizung und
führt zu einem konstruktiven Mehraufwand
innerhalb des Getriebes. Beispielsweise
durch einen zusätzlich erforderlichen Planetenradsatz. Um die Kräfte und Momente
aus den Übersetzungen zu realisieren,
werden zudem die Achsabstände im Planetensatz größer. Aus Achsabstand und
Drehzahl des Planetenträgers resultiert in
einzelnen Betriebspunkten des Getriebes
259
Höhere Spreizung
4
10
Mehr Planetenradsätze
3
4
Größere Achsabstände in %
+ 20
4.000
10.000
Höhere Planetenrad-Drehzahl in min-1
10.000
20.000
Höhere Nadeldrehzahl in min-1
50.000
100.000
1.000
6.700
Größere Planetenträger-Drehzahl in min-1
Gesteigerter Beschleunigungswert in g
Bild 2
Herausforderungen für das Getriebe und Auswirkungen auf die Komponenten
eine hohe Fliehkraftbelastung. Oftmals
vervielfachen sich die Fliehkräfte sogar.
Dies bedeutet höhere Belastungen für Planetenträger, Planetenrad und -lager. Die
maximale Trägerdrehzahl und die maximale Zentrifugalbeschleunigung liegen heute
geringfügig oberhalb der momentan gültigen Grenzen. Diese Werte sind jedoch mit
einem entsprechenden Entwicklungsaufwand beherrschbar.
Die Erhöhung der Gangzahl in Stufenautomatikgetrieben kann entweder durch
weitere Schaltelemente oder durch mehr
Planetenebenen umgesetzt werden. Rückblickend auf das Sechsgang-Stufenautomatikgetriebe konnte eine weitere Gangsteigerung durch einen vierten Planetensatz
realisiert werden. Diese weitere Planetenebene hat sich im Hinblick auf gleichbleibende beziehungsweise reduzierte
Schleppverluste durch offene Schaltelemente als ideal erwiesen [1].
In bestimmten Fällen ist jedoch eine
möglichst platzsparende Bauweise der Stufenautomatikgetriebe gefordert, um zum
Beispiel den Einsatz in Front-Quer-Anwendungen zu ermöglichen. Dafür bietet sich
vor allem die Schachtelung von Planetensätzen an. Diese Maßnahme bedingt, dass
der außenliegende geschachtelte Radsatz
einen vergleichsweise großen Achsabstand
aufweist (Bild 2) [2].
Bisherige Anforderungen in den Planetenradsätzen waren durch Lagerungen der
Planetenräder nach dem aktuellen Stand
der Technik realisierbar. So sind Lagerbelastungen von bis zur 3.500fachen Erdbeschleunigung (g = 9,81 m/s²) mit derzeitigen Fertigungsverfahren beherrschbar.
Doch für die neuesten Automatikgetriebe
(AT) reichen die Vorgaben für die Lagerbelastungen bis zu 6.700 g und in Auslegungen für künftige Getriebe werden bereits
bis zu 8.000 g gefordert. Basis dafür ist
die Abhängigkeit der Fliehkraftbeschleunigung von der Drehzahl des tragenden
Bauteils (Bild 3).
Um sich die auftretenden Kräfte besser
vorstellen zu können, sind Vergleiche hilfreich. Bei einer Fahrt im Karussell wirken
beispielsweise rund 4 g auf den menschlichen Körper. Ein Kampfpilot erfährt bei Betätigung des Schleudersitzes bis zu 25 g.
Die Belastung eines Planetenradlagers mit
bis zu 6.700 g lässt sich auch so veranschaulichen: Wenn eine Nadelrolle eines
Planetenradlagers ein Gramm wiegt, ergibt
sich bei 6.700 g Beschleunigung ein Ge-
260
Planetengetriebe 1
Max. Beschleunigungswert in g
Hohe Planetenträgerdrehzahlen
6.500
5.000
3.500
2.000
500
4.000
6.000
8.000
10.000
Planetenradträgerdrehzahl in min-1
4 AT
5 AT
Bild 3
6 AT
7 AT
Lagerreibung sowie die axiale Gleitreibung
der Planetenräder im Fokus. Bei den Lagern der Automatikgetriebebauteile gilt das
Hauptaugenmerk den Axiallagern, Kugellagern oder radialen Gleitführungen. Weitere Verluste entstehen durch Öl-Viskosität,
Drosselung/Pumpwirkung verschiedener
rotierender Bauteile sowie durch Planschverluste.
Reduzierung der
Reibleistungen
8 AT
9 AT
Veränderung der Planetenträgerdrehzahlen
wicht von rund 6,7 kg. Solche Werte treiben
Konstruktion und Werkstofftechnik an ihre
Grenzen und erfordern innovative Ansätze
in der Entwicklung.
Verlustleistungen
Obwohl Getriebe grundsätzlich relativ hohe
Wirkungsgrade aufweisen, lassen sich Verluste an den einzelnen Baugruppen nicht
komplett vermeiden. Zu den hauptsächlichen Verursachern zählen zunächst einmal
die Überbrückungskupplung und deren Aktivierungssystem im Wandler. Der Freilauf,
der das Leitrad abstützt, wird dabei als
eher vernachlässigbar angesehen. Die anschließende Ölpumpe wird immer häufiger
separat elektromechanisch betätigt. Dies
hat zur Folge, dass nur dann Energie aufgewendet werden muss, wenn Ölmenge oder
Öldruck benötigt werden. Bei den Planetenradsätzen stehen neben dem Fliehkrafteinfluss die Wälzreibung der Verzahnung, die
Das Lager selbst besteht aus einer bestimmten Anzahl von tragenden Wälzkörpern (Nadeln) und einem sogenannten
Käfig, der die Nadeln sowohl axial (Käfigbord) als auch am Umfang (Käfigstege)
führt. An den Käfigstegen befinden sich
eine Außen- und eine Innenhalterung, die die
Nadeln radial gegen Herausfallen sichern.
Die Position dieser Halterungen wurde so
optimiert, dass sich eine möglichst geringe
Käfigbeanspruchung ergibt. Zusätzliche
Optimierungen an den Tascheneckenradien
zielen auf eine Reduzierung der Bauteilspannungen ab.
Käfigauslegung
Planetenradlager allgemein
Die Aufgabe der Planetenradlager besteht im Wesentlichen in der Positionierung der Planetenräder [3]. Zudem müssen die Lager Kräfte und Momente
aufnehmen und eine Drehbarkeit bei minimaler Reibung sicherstellen. Aufgrund
der Drehzahl- und Fliehkraftanforderung
kommen meist Lager mit Nadelkäfig zum
Einsatz. Der üblicherweise aus Stahl
ausgeführte Käfig hat die Aufgabe, die
Wälzkörper zu führen und zu positionieren. Um die hohen Stückzahlen von Automobilanwendungen rationell produzieren zu können, werden die Käfige in der
Regel durch Umform-, Stanz- und Schweißprozesse hergestellt.
Die Laufbahnen für das Wälzlager sind
direkt auf den Radsatzkomponenten verwirklicht. Die äußere Laufbahn wird durch
die Bohrung des Planetenrads gebildet.
Als innere Laufbahn dient der fest im Planetenträger fixierte Bolzen. Spezielle Anlaufscheiben ermöglichen einen axialen
Anlauf der Planeten und der Lagerkäfige.
Eine solche Gestaltung ergibt eine kostengünstige und funktionsfähige Lageranordnung.
Ein weiterer wichtiger Punkt bei der
Auslegung von Planetenradlagern ist das
Reibungsverhalten. Eine veränderte Gestaltung von Durchmesser, Länge oder
Bestückung der Wälzkörper kann erhebliche Reibungsveränderungen mit sich
bringen. Dies zeigt exemplarisch die
Gegenüberstellung der rechnerisch ermittelten Reibanteile zweier Lagerauslegungsalternativen unter reiner Fliehkraftbelastung. Gegenüber der Basiskonstruktion mit einem 2,5 mm dicken
Wälzkörper unterscheidet sich die Alternative durch dünnere Wälzkörper mit
2,0 mm Durchmesser und so durch einen
etwas größeren Innenlaufbahndurchmesser. Bei identischen statischen Tragzahlen reduziert sich die Reibung der
Wälzkörper mit dem kleineren Durchmesser um rund 11 %.
Die Höhe der Käfigreibung ist abhängig
vom gewählten Wälzkörperdurchmesser
und bestimmt damit maßgeblich das Reibungsverhalten der Lager. Die Auslegung
von Planetenlagern ist deshalb eine vielfältige Herausforderung, bei der eine ausreichende Tragzahl und Käfigfestigkeit sowie minimale Reibung angestrebt werden
müssen.
18
261
Beschichtung
Einen weiteren Bestandteil zur Leistungssteigerung der Planetenlager stellen angepasste Beschichtungen der Lagerkäfige
dar. Aufgrund der auftretenden Belastungen kommt es am Lagerkäfig zu Gleitkontakten. So werden zum Beispiel die
Wälzkörper unter Fliehkraft an die Außenhalterungen der Käfigstege und der Käfig
mit seiner Außenmantelfläche in die Planetenbohrung gedrückt.
Simulationen zeigen, dass eine entsprechende Optimierung der Kontaktflächen
am Käfig zweckmäßig ist, da dort bis zu
70 % der Reibung entsteht. Die Wälzoberflächen der Nadeln und der Laufbahnen
eignen sich dagegen weniger für reibungsreduzierende Beschichtungen, weil sie
bereits höchste Oberflächenanforderungen
erfüllen, um als Wälzlaufbahn fungieren zu
können.
Beschichtungen auf Basis von Zinkphosphat (Durotect-Z) oder Manganphosphat (Durotect-M) verbessern das Gleitund Verschleißverhalten sich berührender,
gegeneinander bewegter Metalloberflächen und tragen überdies zum Korrosionsschutz bei. Durch die ölspeichernde Eigenschaft der Schichten werden diese auch
gezielt in Gleitpaarungen eingesetzt. Die
bisher verwendete Durotect-Z-Schicht
wurde für Planetenlageranwendungen
durch die Durotect-M-Schicht ersetzt. Praxiserfahrungen zeigen, dass diese Schicht
deutliche Reibungs- und Verschleißvorteile
bewirkt.
Sind noch weitere Effizienzsteigerungen
gefragt, kommt eine speziell entwickelte
Beschichtung auf Basis von Nickel und
Phosphor (Durotect-NP) zur Reibungsreduzierung auf den Lagerkäfigen zum Einsatz.
Die Schicht bietet sehr gute adhäsive Verschleißfestigkeit sowie ausgezeichnetes
Trockenlaufverhalten und Temperaturverträglichkeit in Verbindung mit hervorragenden Gleit- und Antihafteigenschaften.
262
Planetengetriebe 1
Die gemessenen Reibleistungen mit Durotect-M liegen um etwa 10 % niedriger als
mit der bisher verwendeten Durotect-ZSchicht. Überdies konnte der Verschleiß
nennenswert reduziert werden. Die Durotect-NP-Beschichtung bewirkt eine nochmalige Reibungsreduzierung um weitere
13 %.
Planetenradauslegung
Um mögliche Optimierungen bei der Planetenradauslegung zu untersuchen, variierte Schaeffler bei einem Planetenrad bei
gleichbleibender Verzahnung die Parameter der Lagerabstützung. Dabei wurde ein
maximal möglicher Planetenrad-Innendurchmesser angestrebt, der damit auch
eine minimal mögliche Wanddicke und
maximal mögliche Lager-Außenlaufbahn
definiert. Variationen der Wälzkörperdurchmesser und ihrer – davon abhängigen –
Anzahl im Teilkreisdurchmesser dienten
zur Bestimmung einer Geometrie der
höchsten Lebensdauer für die radiale
Lagerung. Diese Festlegung definiert auch
den Laufbahn-Innendurchmesser und die
Größe des Planetenradbolzens.
Durch die kleinere Wanddicke verringern sich die Planetenradmasse und die
daraus resultierenden Fliehkräfte.
Optimierungen im Vergleich
zum bisherigen Stand
Optimierte PlanetenradlagerKäfigkonstruktion
Optimierte PlanetenradlagerKäfigbeschichtung
Durotect®-NP
Gewichtsoptimiertes
Planetenrad
Bild 4
Zusammenfassung der Verbesserungen
Die Untersuchungen führten zu folgenden
Ergebnissen: Die Strategie, einen kleineren
Wälzkörperdurchmesser und dafür mehr
Wälzkörper zu verwenden, führt zu einer
reibungsärmeren und tragfähigeren Lagerung. Berechnungen zeigen eine Lebensdauersteigerung des optimierten Lagers
um 55 % bei gleichzeitiger Reduzierung
der Planetenradmasse um 30 %. Dies führt
zu einer 50-prozentigen Reibungsreduzierung im Radiallager sowie zu einer Fliehkraftreduzierung von 60 %. Die so erzielten
Entwicklungserfolge sind in Bild 4 zusammengefasst.
Sicht von
oben
Frad F
ax
Ftan
Fflieh
Ftan
Fax
Frad
Sicht von
unten
Neueste Erkenntnisse
aus der axialen Lagerung
des Planetenrads
In einem Planetenradsatz sind Hohlrad,
Planetenrad und Sonnenrad miteinander
im Eingriff. Dabei spielt das Planetenrad
eine besondere Rolle, da es sowohl mit
dem Hohlrad als auch mit dem Sonnenrad verzahnt ist. Die Verzahnungen sind
als Schrägverzahnung ausgebildet. Am
Planetenrad entstehen Verzahnungskräfte
Reibungsverhalten
zur Basis
100 % Standard
Entwicklungsverantwortung
-11 %
Schaeffler
-23 %
Schaeffler
-50 %
heute noch Kundenverantwortlichkeit
Nominal
Axialkraft
Umfangskraft
Resultierende
Axialkraft
Bild 5
Nominaler
Schrägungswinkel
Modifizierter
Schrägungswinkel
Kräfteverhältnisse am Planetenrad
sowohl im Eingriff mit dem Hohlrad als
auch im Eingriff mit dem Sonnenrad. Diese bewirken eine Kraft, die in Umfangsrichtung auf den Planetenradbolzen wirkt
(Bild 5).
Zusätzlich treten bei Rotation des Planetenträgers Zentrifugalkräfte auf. Bei Eigenrotation des Planetenrads entstehen
Reibkräfte als Resultat aus dem Kontakt
mit dem Planetenradlager. Zusätzlich entstehen noch Kräfte aus der Winkelbeschleunigung des Planetenrads und weitere Reibungskräfte aus dem Wälzkontakt
selbst. Alle drei Kräfte wirken, je nach
Richtung des Leistungsflusses, einer der
zwei Verzahnungskräfte entgegen. Dadurch entsteht ein Ungleichgewicht im
System Sonne-Planet und Planet-Hohlrad.
Dies bewirkt eine axial resultierende Kraft,
die sich an den Stirnseiten der Planetenräder abstützt (rote Pfeile).
18
263
Im Rahmen von Entwicklungsarbeiten veränderte Schaeffler die letzte nicht wälzgelagerte Abstützung im Planetenradsatz, die derzeit als Gleitpaarung ausgeführt ist. Diese
besteht entweder aus einer Buntmetallscheibe, oder einer Stahlscheibe, oder aus beidem. Dabei dient eine Buntmetallscheibe als
Reibpartner für den Planetenträger aus ungehärtetem Stahl und eine Stahlscheibe fungiert als Anlaufscheibe für das Planetenrad
und dessen Radial-Nadellager.
Die Gleitscheiben sind sehr klein; typische Abmessungen sind zum Beispiel Innendurchmesser = 17 mm, Außendurchmesser = 30 mm, Dicke = 1 mm. Trotzdem
verfügen sie über zahlreiche Merkmale wie
–– spezielle Ölführungsnuten beziehungsweise Öldurchlässe,
–– Halterungen zur einfacheren Endmontage,
–– Verdrehsicherungen (um Reibverschleiß
zu verhindern) sowie
–– diverse Beschichtungen.
Eine maßgebliche Herausforderung für die
Entwicklung eines adäquaten Wälzlagers ist
die geringe zur Verfügung stehende Bauraumgröße. Ein sicheres Standard-Axialnadellager hat bisher eine Produktbreite von
2,13 mm. Der Nadeldurchmesser beträgt
1,5 mm und die Scheibendicke 0,63 mm.
Die Aufgabe lautete also, diese filigranen Dimensionen mit einem neuen Axialnadellager klar zu unterbieten. Gelungen
ist dies mit dem neuesten Schaeffler-Axialnadellager inklusive Laufbahnscheibe.
Sein Innendurchmesser beträgt 17 mm,
der Außendurchmesser 29,9 mm und die
Dicke 1,2 mm. Der Nadeldurchmesser
konnte auf 1,0 mm und die Scheibendicke
auf 0,2 mm reduziert werden (Bild 6).
Um die Anforderungen an ein Wälzlager
zu erfüllen und den auftretenden Belastungen standzuhalten, stellt diese Ausführung
höchste Ansprüche an die Qualität des
Werkstoffs sowie seine Oberflächen- und
Wärmebehandlung. Die folienartige Schei-
264
Planetengetriebe 1
350
Anlaufscheibe
Neues
Axialnadellager
StandardAxialnadellager
17 mm
17 mm
50,8 mm
Außendurchmesser
30 mm
29,9 mm
67,5 mm
Breite
1,0 mm
1,2 mm
4,0 mm
–
1,0 x 2,25 mm
3 x 4,3 mm
Dimension
Innendurchmesser
Nadelabmessung
Scheibendicke
1,0 mm
0,2 mm
1,0 mm
Nadeldrehzahl
–
500.000 min-1
120.000 min-1
Bild 6
Eingangsdaten
Eingangsdrehzahl
und Moment
Lagerlasten
Drehzahlen
Axialschub
Planetenradsatz für ein Gesamtgetriebe mit
vier verschiedenen Radsätzen untersucht
und die Auswirkungen auf den Verbrauch
simuliert. Der Simulation lag der NEFZ (Neuer
Europäischer Fahrzyklus) mit auf 1.400 reduzierten Lastpunkten zugrunde. Das Motorkennfeld auf Basis des NEFZ und die Massenträgheiten entsprechen dem eines Oberklassefahrzeugs. Die zugrunde gelegten
Reibungsparameter sind durch Prüfstandsversuche ermittelt worden (Bild 7) [4, 5].
Verlustleistung AS
µR aus
WärmeVerlustbilanz
leistung AXK
Ergebnisspez.
Verbrauch daten
MotorenCO2kennfeld
Ausstoß
Zu Grunde gelegte Reibungsparameter µR aus Wärmebilanz
Szenario
Axialschub
Planschen
Verschleiß
P_AXK (Basis)
µR_AS
1
3,5 %
ja
ja
74,40 W
0,018
2
7,0 %
ja
–
14,88 W
0,070
Simulation
AXK: Axialnadelkranz
Planetenradsatz
2
P_AXK: Verlustleistung Axialnadelkranz
Planetenradsatz
3
Planetenradsatz
4
200
150
100
50
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Gänge
Reibleistung Anlaufscheibe
BEARINX® Getriebeberechnung nach NEFZ
AS: Axialscheibe
Planetenradsatz
1
265
250
Veränderungen an der axialen Planetenradlagerung
bendicke stellt zudem eine große Herausforderung im Produktionsprozess dar. Die
Nadel mit einer Abmessung von 1 mm
Durchmesser und einer Länge von 2,25 mm
ist der kleinste im Getriebebereich jemals
eingesetzte Wälzkörper. Um die Nadel
sicher zu führen und zu halten, wird zudem
ein sehr filigran geformter Axialnadelkäfig
benötigt.
Mithilfe von Simulationswerkzeugen
wurde das Verhalten der Axiallagerung im
Bild 7
Reibleistung in W
300
18
Bild 8
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Reibleistung Axialnadellager
Ergebnisse der Simulation
Die in Bild 8 dargestellten Ergebnisse zeigen im Vergleich von Gleit- und Wälzlager
die Verlustleistung der einzelnen Radsätze
in den verschiedenen Lastzuständen. Eine
Summierung der Werte darf nur für die jeweiligen Gänge erfolgen. Aus den gegebenen Lastzuständen resultieren für das Axiallager bei zwei Radsätzen relativ hohe Werte,
die bei geeigneter Wälzlagerung eine hohe
Effizienz der Reibungsreduzierung zeigen.
Für die Anlaufscheibe zeigt sich zum
Beispiel im dritten Gang eine maximale Reibleistung von 470 W. Für die Axialnadellagerung ergibt sich eine maximale Reibleistung
von nur noch 50 W. Dies bedeutet für ein
Gesamtgetriebe mit vier Planetensätzen im
dritten Gang eine um 420 W geringere Reibleistung und mithin eine Reduzierung um
90 %. Auf Basis der Simulation ist durch
Substitution der Gleitscheiben durch Axialnadellager im NEFZ eine Verbrauchsreduzierung von rund 0,5 % zu erwarten.
Auch vergleichende Tests von Axiallager
und Gleitscheibe auf einem Axiallagerhochdrehzahlprüfstand zeigten ein geringeres
Reibmoment und zusätzlich Temperatur-
differenzen. Um die Drehzahlgrenzen des
Axiallagers in Abhängigkeit von Axiallast,
Öltemperatur und Öldurchflussrate zu ermitteln, wird auf dem Prüfstand die Axiallast
hydraulisch eingeleitet. Das hydrostatische
System ermöglicht die Messung von Reibmomenten unter hohen Drehzahlen.
Als Versuchsbedingungen wurden
Drehzahlen von 6.000/min beziehungsweise 20.000/min gewählt. Die Axiallast betrug
500 N. Bei einer Drehzahl von 6.000/min
kam es zu einer Reduzierung des Reibmoments von 0,23 Nm auf 0,024 Nm. Bei
20.000/min reduzierte sich das Reibmoment von 0,13 Nm auf 0,03 Nm. Mit dem
neuen Axialnadellager ist also eine Reduzierung des Reibmoments um gut 90 % möglich. Gleichzeitig sinkt die Temperatur an
der Lagerstelle um 5 bis 10 °C (Bild 9).
Als Alternative zu aufwendigen und teuren Tests von Planetenradsätzen im Komplettgetriebe verfügt Schaeffler über einen
Komponentenprüfstand mit der Möglichkeit, ganze Planetensätze hinsichtlich Funktion und Lebensdauer unter Fliehkraft und
Lastbedingungen zu untersuchen. Die Ein-
266
18
Planetengetriebe 1
Absoluttemperatur
Temperaturdifferenz
Verspannmoment
1.000 Nm
Verspannmoment
6
100 Nm
150
1.000 Nm
100 Nm
5
Temperatur in °C
Temperatur in °C
Temperatur in °C
Reibmoment in Nm
Reibmoment
leitung eines MoTemperatur
über Drehzahl bei 500 N Axiallast
über Drehzahl bei 500 N Axiallast
ments erfolgt dabei
80
0,25
variabel über zwei
gekoppelte Plane0,2
60
tensätze. Weitere
0,15
Einflussparameter
40
am Prüfaufbau sind
0,1
die zugeführte Öl20
0,05
menge und -temperatur zur Schmie0
0
6.000
20.000
6.000
20.000
rung und Kühlung
Drehzahl in min-1
Drehzahl in min-1
des Radsatzes. Als
Prüfkriterium zur
µR Axialscheibe
Temp. Axialscheibe
Überwachung hat
µR Axialnadellager
Temp. Axialnadellager
sich die gemessene
L ager temperatur
Funktionstests am Axiallager-Hochdrehzahl-Prüfstand
als zuverlässig erGenerell können die Axiallast, Lager- und Öltemperatur, Öldurchfluss,
wiesen. ThermoReibmoment, Drehzahl und Laufzeit gemessen werden.
fühler erfassen die
Temperatur direkt
im Radsatz an jeder
Bild 9 Analyse von Reibung und Temperatur am AxiallagerhochdrehzahlPlanetenlagerung.
prüfstand
Dies lässt einen
Rückschluss auf die Funktionsfähigkeit und
1.000 Nm und einer Drehzahl von 2.500/min
das Verhalten des Systems über die Prüfzeit
zeigt deutliche Unterschiede der beiden
zu. Kommt es unvermittelt zu einem TempeKonstruktionsvarianten. So beträgt die
raturanstieg, ist dies ein zuverlässiges Indiz
mittlere Temperaturdifferenz im ersten Fall
für einen Schaden an der Planetenlagerung.
1,5 °C und im zweiten Fall 3 °C. Die MaxiMeistens ist dann der Lagerkäfig defekt.
malwerte zeigen sogar eine TemperaturdifEin solcher Prüfstand dient auch zu verferenz von 4 °C beziehungsweise 5 °C.
gleichenden Tests von Planetenradsätzen
Die in der Simulation des Gesamtgetriemit Axiallager und Planetenradsätzen mit
bes und bei realen Komponententests einGleitscheiben. Für den Prüfaufbau wurden
zelner Lager ermittelten geringeren Tempedie Hohlräder gegeneinander bis maximal
raturen und Reibmomente (Bild 11), haben
1.000 Nm verspannt und festgesetzt. Auf
deutliche Auswirkungen auf das Emissionsdie Planetenträger wirkte eine Antriebsverhalten. So beträgt die rechnerische CO2drehzahl von bis zu 6.000/min. Daraus reReduktion des Gesamtgetriebes im NEFZ
sultierte eine Planetenraddrehzahl von marund 1 %. Die Substitution der Planetenanximal 20.000/min.
laufscheiben eines aus vier PlanetenradsätDie in Bild 10 dargestellten Messergebzen bestehenden Automatikgetriebes durch
nisse zeigen Mittel- und Maximalwerte der
Axiallager führt zu einer CO 2 -Einsparung
Axiallager- beziehungsweise Gleitscheibenvon 1 % bei Mehrkosten von weniger als
temperaturen und die entsprechenden Temzehn Euro.
peraturdifferenzen. Ein Vergleich der Ergebnisse bei einem Eingangsmoment von
100 Nm und einer Drehzahl von 6.000/min
sowie einem Eingangsdrehmoment von
267
140
130
120
1.800
3
2
1
0
2.500
4.000
6.000
Drehzahl Planetenträger in min-1
Anlaufscheibe
4
1.800 2.500 4.000 6.000
Drehzahl Planetenträger
in min-1
Axialnadellager
Auf diesem Prüfstand wurde das System Planetenradsatz mit dem Axiallager und im Vergleich mit den
Gleitscheiben getestet.
Bei unserem Prüfaufbau wurden die Hohlräder gegeneinander bis max. 1.000 Nm verspannt und festgesetzt (Drehzahl 0 min-1). Die Planetenträger erreichten eine Antriebsdrehzahl von bis zu 6.000 min-1.
Die Temperatur wurde gemessen am Planetenradbolzen.
Bild 10 Ergebnisse verschiedener Funktionsversuche am Planetenradsatzprüfstand
Untersuchungen
Simulation (3. Gang)
Komponententest
(6.000 min-1)
Planetengetriebeprüfstand
(6.000 min-1)
Anlaufscheibe
Axialnadellager
Reibungsreduzierung
Reibungsreduzierung
CO2Reduzierung
470 W
50 W
420 W
90 %
1%
0,23 Nm
62 °C
0,02 Nm
57 °C
0,21 Nm
5 °C
90 %
1%
150 °C
146 °C
4 °C
–
–
Die Axialnadellager
bringen 1 % CO2Reduzierung bei
nur 10 € Mehrkosten
Bild 11 Auswirkungen auf das Emissionsverhalten
268
Planetengetriebe 1
Modulbauweise in Planetenradsätzen
Schaeffler bietet und liefert bereits heute
viele Einzelkomponenten und Anbauteile
für Planetenradsätze. So zum Beispiel die
Planetenradlager, die die radiale Positionierung des Planetenrads übernehmen,
die Lagerkräfte und Momente aufnehmen
und die Drehbarkeit bei minimaler Reibung sicherstellen. Der Planetenradbolzen stellt die innere Laufbahn des
Planetenradlagers dar. Er wird in allen
Ölzuführ- und Geometrievarianten von
Schaeffler angeboten. Der axiale Anlauf
des Planetenrads und des Planetenradlagers wird mit den bereits beschriebenen
Gleitscheiben beziehungsweise von den
neu entwickelten Axialnadellagern abgestützt. Auch dabei handelt es sich um
Schaeffler-Komponenten. Die Ölauffangschale aus Kunststoff sowie die am Planetenradsatz laufenden Axialnadellager
passen ebenfalls ins Schaeffler-Portfolio
(Bild 12).
Beim Trägerkörper handelt es sich in
der Regel um Umformteile, die gezogen,
gestanzt und mit spanlos geformten Verzahnungen versehen sind. Diese ferti-
gungstechnischen Kernkompetenzen von
Schaeffler werden für die verschiedensten
Produkte wie Planetenradträger oder
Kupplungslamellenträger genutzt.
Die Planetenradträger werden überwiegend geschweißt. Schaeffler besitzt aber
auch viel Erfahrung im Bereich der Niettechnik, die unter anderem für Zweimassenschwungräder, Drehmomentwandler
oder Hohlradträger zum Einsatz kommt.
Diese Fertigkeiten können auch für die Planetenträgermontage genutzt werden. Im
Gegensatz zum thermischen Fügen bietet
das Nieten die Vorteile, dass kein Wärmeverzug durch das Schweißen auftritt und
keine Schweißspritzer entfernt werden
müssen. Um umfassende Baugruppen anbieten zu können, erfolgt auch die Entwicklung von Planetenrad-Zahnrädern intern.
Dabei sammelte Schaeffler viel Erfahrung
im Bereich hochleistungsfähiger Planetenradsätze. Dies begründet die Positionierung als Entwicklungspartner und Lieferant
für mechanische Baugruppen oder umfassende Planetenradsatzlösungen für den
Gesamt-Getriebehersteller.
Für die Planetenradsätze selbst bietet
Schaeffler Baukastenlösungen an, die ein-
Radiale Wälzlagerung
der Planetenräder (KZK)
Planetenradbolzen mit
optimierter Ölführung
Axiale Gleitlagerung
der Planetenräder (AS)
Genietete Planetenträgerverbindungen
Axiale Wälzlagerung
der Planetenräder (SAX)
Integrierte Axialnadellagerungen der Hauptwellen
Ölverteiler und Dosierungsteile
Kunststoffteile
Zusätzliche Anbaumodule
wie Kupplungsträgerkörper
Bild 12 Schaeffler-Komponenten in Modulbauweise für Planetenradsätze
18
269
Planetenradträger m
mit drei
ei
Planeten
Planetenrädern
rn
Planetenradträger
Planetenradt
mit
unterschiedlichen
untersch
en
Axiallagerungen
Axiallag
en
Planetenradträger mit drei
Planetenrädern
Planetenräd
und
integrierter
inte
NabenverNa
zahnung
z
mit vier
Planetenradträger
g rm
e
er
Planetenrädern
Planete
rn
Planetenradträger in
Planetenra
Planetenrad
Doppelanordnung
Doppela
ng
drei und vier
mit dre
er
Planetennradsätzen
en
Planetenradträger
Planetenradtr
äg mit
integriertem
integr
KupplungsKupp
träger
Bild 13 Variation der Planetenradsatzmodule
fach in bestehende Getriebekonstruktionen
integriert werden können. Die Radsätze
zeichnen sich durch Merkmale wie spanlos
hergestellte Verzahnungen (Steckverzahnung, Mitnahmeverzahnung) aus. Der Planetenträger kann als Schweiß- oder Nietlösung
ausgelegt und hergestellt werden. Nietlösungen bieten sich aufgrund geringerer Anschaffungskosten und kürzerer Taktzeiten
vor allem dann an, wenn Neuinvestitionen
erforderlich sind. Der gesamte Radsatz inklusive Anbauteilen ist entsprechend der jeweiligen Anwendung konzipiert, um bestmögliche Beölung und geringste Reibung
zu erzielen. Die Planetenträger sind mit Anschlusselementen wie Lamellenkupplungsträger und Hohlradträger ausführbar oder
können in Last- und Differenzialstufen integriert werden (Bild 13).
Damit die Baukastenstrategie ihre volle
Wirkung entfalten kann, ist eine frühzeitige
Zusammenarbeit zwischen den Spezialisten von Schaeffler und dem jeweiligen Getriebehersteller möglichst schon in der Konzeptphase hilfreich.
Literaturverzeichnis
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A.: Das automatische Getriebe 8HP70 von
ZF. Getriebesystem, konstruktiver Aufbau und
mechanische Bauteile. VDI-Berichte 2029,
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Transmission Kit for Front-Wheel-Drive
Applications from ZF. VDI-Bericht 2013,
Düsseldorf: VDI Verlag, 2011
[3] Pabst, A.; Beeck, F.: Increasing the performance
of planetary bearings for modern automatic
transmissions. VDI-Berichte 2158, Düsseldorf:
VDI Verlag, 2012
[4] Koch, O., Weber, J., Zintl, G., Gronau, B.;
Energieeffiziente Auslegung von Wälzlagerungen.
VDI-Tagung Gleit- und Wälzlagerungen,
Schweinfurt, 2011
[5] Koch, O., Gao, G.: Energy-efficient design of rolling
bearings: An important contribution towards
reducing CO2-emissions and increasing power
density in automotive transmissions. CTI Symposium Innovative Automotive Transmissions
and Hybrid & Electric Drives, Shanghai, 2012