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Die
Erfindung betrifft ein Exzentergetriebe zum Verstellen zweier relativ
zueinander beweglich angeordneten Teile im Kraftfahrzeug nach der
Gattung des unabhängigen
Anspruchs.
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Mit
der
DE 459 025 ist ein Über- oder
Untersetzungsgetriebe zum Anbau an einen Elektromotor bekannt geworden,
das als Exzentergetriebe ausgebildet ist. Auf einer antreibenden
Welle sind zwei Exzenter um 180° versetzt
angeordnet, die über
Wälzlager
zwei Exzenterscheiben in eine Exzenterbewegung versetzten. Die Exzenterscheiben
haben als Außenverzahnung
bspw. einen geschlossenen wellenförmigen Kurvenzug, der mit drehbar
auf Bolzen gelagerten Rollen zusammenwirkt, die an einem ein Hohlrad
bildendes Gehäuse
angeordnet sind. Auf den Exzenterscheiben sind des weiteren Mitnehmerbolzen
angeordnet, auf denen drehbar rechteckige Gleitschuhe gelagert sind.
Diese greifen in zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Mitnehmerführungen,
um das Drehmoment auf eine Abtriebswelle zu übertragen.
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Eine äußere Kurvenform,
wie sie für
die Außenverzahnung
des Exzenterrads der
DE 459 025 offenbart
ist, hat den Nachteil, dass durch die relativ flachen Zähne recht
hohe Normalkräfte
auf die Kurvenform einwirken, die nicht zur Übertragung des Drehmoments
dienen. Dadurch ist das Exzenterrad einer sehr hohen Belastung ausgesetzt,
sodass dieses sowohl gegenüber
dem Exzenter, als auch gegenüber dem
Hohlrad mittels mechanisch aufwendigen, voluminösen Wälzlagern gelagert werden muss.
Die dargestellte Kurven form erlaubt auch nur die Verwendung einer
relativ geringen Exzentrizität,
wodurch der Kraftaufwand des antreibenden Exzenters relativ hoch
ist.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Exzentergetriebe
mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat den
Vorteil, dass durch die Ausbildung einer zumindest näherungsweise
perizykloidischen Außenverzahnung
des Exzenterrads die tangentiale Komponente für die eigentliche Drehmomentübertragung
deutlich größer ist,
als bspw. bei einer Epizykloiden- oder Evolventen-Verzahnung. Durch
die damit verbundene Verringerung der radialen Kraftkomponenten
reduziert sich die Belastung des Exzenterrads, wodurch das gesamte
Exzentergetriebe wesentlich kostengünstiger konstruiert werden
kann. Die perizykloidische Außenverzahnung
erlaubt eine größere Zahntiefe,
wodurch die Exzentrizität
des Getriebes größer gewählt werden
kann. Durch die Ausbildung der perizykloidischen Kontur des Exzenterrads
ohne Unterschnitt, entfällt
ein ständiger
Wechsel zwischen einer radialen Zug- und Druckbelastung des Exzenterrads
durch die Wechselwirkung mit dem Hohlrad, wodurch die Lebenszeit und
die Geräuschbildung
des Getriebes positiv beeinflusst wird.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Weist das Hohlrad als Innenverzahnung
Zahnelemente auf, die im Sinne einer Zykloiden-Triebstock-Verzahnung zumindest halbzylinderförmig ausgebildet
sind, bildet die Innenverzahnung mit der perizykloidischen Außenverzahnung
immer einen konkav-konkav-Kontakt
(im Gegensatz zur epizykloidischen Außenverzahnung), wodurch eine
geringere Hertzsche Pressung und eine bessere Schmierfilmbildung
beim Eingriff der beiden Verzahnungen entsteht. Dadurch erhöht sich der
Wirkungsgrad des Getriebes, bzw. werden die Präzisionsansprüche bei
der Fertigung des Getriebes verringert.
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Durch
die günstige
perizykloidische Zahnform ohne Unterschnitt verringert sich in Kombination mit
den zylinderförmigen
Zahnelemente deren Beanspruchung derart, dass die Zahnelemente vorteilhaft als
drehfeste Außenbolzen
angeordnet werden können.
Dadurch werden der Fertigungsaufwand und die Teilevielfalt des Getriebes
deutlich reduziert.
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Da
die perizykloidische Außenverzahnung keinen
Unterschnitt aufweist, und dadurch für den Eingriff der äußeren Zahnelemente
lediglich halbzylinderförmige
Elemente ausreichen, können
diese sehr günstig
einteilig mit dem das Exzenterrad umgebenden Getriebegehäuse ausgebildet
sein. Dies erlaubt eine sehr kostengünstige Fertigung des Getriebegehäuses mit
integrierter Innenverzahnung mittels Spritzgussverfahren – gegebenenfalls
mit entsprechenden zylinderförmigen
Einlegeteilen.
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Wird
die Außenverzahnung
im Gegensatz zu einer herkömmlichen „verschlungenen
Perizykloide" ohne
Unterschnitt ausgebildet, erfährt
das Exzenterrad immer nur Kraftkomponenten hin zu dessen Mittelpunkt
oder in tangentialer Richtung, aber keine Kräfte vom Mittelpunkt weg. Dadurch
wird eine Vibrationsbelastung des Exzenterrads vermieden, was dessen
Lebensdauer deutlich erhöht,
bzw. die Verwendung von leichteren Fertigungswerkstoffen erlaubt.
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Besonders
günstig
ist es, die perizykloidische Außenverzahnung
derart auszubilden, dass im Moment des Austritts bzw. Eintritts
der äußeren Zahnelemente
in oder aus der Außenverzahnung
die Normalkraft auf die Zahnflanke einen Winkel zwischen 0 und 40° zur der
Tangentialrichtung hin zum Mittelpunkt des Exzenterrads aufweist.
Besonders vorteilhaft ist die Wahl dieses Winkels zwischen 0 und
20°, da
hierbei die auf das Exzenterrad wirkende Kraft fast ausschließlich als
Tangentialkomponenten zur Momentübertragung
genutzt wird.
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In
einer weiteren Ausführung
ist das Exzenterrad elastisch ausgebildet, sodass sich dessen Außenverzahnung
beim Eingriff in die äußeren Zahnelemente
in gewissen Grenzen an die Zahnelemente anpassen kann. Dadurch stehen
immer mehrere Zahnelemente im Eingriff mit der Außenverzahnung, wodurch
eine gute Lastverteilung und damit eine gute Belastbarkeit des Exzenterrads
und der Verzahnung erzielt wird.
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Durch
die Herstellung des Exzenterrads mittels Spritzgießen, Stanzen
oder Sintern können
auch mathematisch kompliziertere Kurvenformen, wie die perizykloidische
Außenverzahnung
ohne Unterschnitt kostengünstig
für die
Massenproduktion angeformt werden, da auf ein spangebendes Verfahren verzichtet
werden kann.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausformung der
Außenverzahnung
kann auf drehbare Lagerelemente zwischen dem Exzenterrad und dem äußeren Hohlrad
verzichtet werden.
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Dadurch
entfällt
die kostspielige Fertigung und Montage von Lagerhülsen oder
Wälzlagern
zwischen dem Exzenterrad und dem Hohlrad und zwischen dem Exzenterrad
und dem Abtriebselement.
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So
kann das Abtriebselement bspw. mehrere Mitnahmebolzen aufweisen,
die gleitend in runden Aussparungen der Exzenterräder geführt werden. Durch
die reduzierten, auf die Exzenterräder wirkenden Radialkräfte kann
ebenfalls der antreibende Exzenter direkt unmittelbar gleitend in
einer runden Aufnahme des Exzenterrads ohne zusätzliche Lagerelemente gelagert
werden. Hierdurch kann ein solches Zykloiden-Getriebe sehr kompakt
und leicht gebaut werden, wodurch das erfindungsgemäße Getriebe für eine Anwendung
zum Verstellen beweglicher Teile im Kraftfahrzeug geeignet ist.
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Zeichnungen
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In
den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Exzentergetriebes,
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2 einen
Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Exzentergetriebes,
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3 schematisch
ein erfindungsgemäßes Exzenterrad,
das mit korrespondierenden Außenbolzen
kämmt und
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4 einen
Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Verzahnung
sowie einen Ausschnitt einer Verzahnung nach dem Stand der Technik.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
als Exzentergetriebe 10 ein sogenanntes Zykloiden-Getriebe
mit einer Triebstock-Verzahnung dargestellt, bei dem auf einer Antriebswelle 12 ein
Exzenter 14 angeordnet ist. Auf dem Exzenter 14 ist
drehbar ein Exzenterrad 16 gelagert, das ebenfalls als
eine Kurvenscheibe 16 bezeichnet wird. Das Exzenterrad 16 weist
eine Außenverzahnung 18 auf,
die mit einem als Innenring 20 ausgebildeten Hohlrad 22 kämmt. Der
Innenring 20 besteht aus mehreren ringförmig angeordneten Zahnelementen 24,
die hier als drehbare Hülsen 26 ausgebildet
sind, die auf Außenbolzen 28 drehbar gelagert
sind. Durch die Differenz der Zähnezahl
zwischen der Außenverzahnung 18 und
dem Innenring 20 greift das Exzenterrad 16 immer
nur abschnittsweise in den Innenring 20 ein, wodurch eine
entsprechende Untersetzung realisiert ist. Das Drehmoment wird mittels
Mit nahmeelementen 30, die in kreisrunde Aufnahmen 32 des
Exzenterrads 16 greifen, auf ein Abriebselement 34 übertragen.
Die Mitnahmeelemente 30 sind hier ebenfalls als drehbare
Hülsen 36 ausgebildet,
die auf drehfesten Mitnahmebolzen 38 des Abtriebselements 34 gelagert
sind. Das Exzenterrad 16 weist eine runde Aussparung 15 auf,
die mittels eines Wälzlagers 40 auf
dem Exzenter 14 gelagert ist, sodass das Exzenterrad 16 mit
den anderen Getriebebauteilen 14, 20, 34 über Rollreibung
zusammenwirkt. Die Außenverzahnung 18 ist
hierbei als perizykloidische Kurvenform 42 ohne Unterschnitt ausgebildet,
wie diese in den 3 und 4 näher erläutert wird.
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In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Exzentergetriebes 10 im Schnitt
dargestellt. Auf der Antriebswelle 12 mit den daran angeformten
Exzentern 14 sind zwei Exzenterräder 16 gelagert, die
um 180° gegeneinander
verdreht angeordnet sind. Beide Exzenterräder 16 weisen eine
perizykloidische Außenverzahnung 18 auf die
mit dem als Gehäuse 44 ausgebildeten
Hohlrad 22 kämmen.
Am Hohlrad 22 sind dabei mittels Fixierelementen 46 die
Außenbolzen 28 drehfest
gesichert und über
einen Ring 21 am Gehäuse 44 abgestützt. Die
als Außenbolzen 28 ausgebildeten
Zahnelemente 24 greifen direkt gleitend in die Außenverzahnung 18 ein,
ohne dass weitere drehbare Elemente 26 zwischen dem Exzenterrad 16 und
dem Hohlrad 22 angeordnet sind. So befindet sich in der
oberen Bildhälfte
die Außenverzahnung 18 des
rechten Exzenterrads 16 im maximalen Eingriff mit den Außenbolzen 28,
während
die Außenverzahnung 18 des
linken Exzenterrads 16 genau an den Außenbolzen 28 vorbeidreht.
Das Abtriebselement 34 weist drehfest angeordnete Mitnahmebolzen 38 auf,
die in kreisrunden Aufnahmen 32 der beiden axial benachbarten
Exzenterräder 16 – im Sinne
eines Parallelzapfen-Getriebes – greifen.
Aufgrund der mehreren, versetzt angeordneter Exzenterräder 16 wird
das Drehmoment gleichmäßiger auf
das Abtriebselement 34 übertragen,
da die jeweiligen Außenverzahnungen 18 mit verschiedenen
Abschnitten des Hohlrads 22 in Eingriff stehen. In der
oberen Hälfte
der 2 sind die Mitnahmeelemente 30 mittels
Drehhülsen 36 oder Wälzlagern 37 in
den Aufnahmen 32 gelagert, sodass sich die Mitnahmebolzen 38 darin
abrollen. In der unteren Hälfte
der 2 werden die Mitnahmebolzen 38 unmittelbar
in den Aufnahmen 32 leitend geführt, da keine zusätzlichen
Lagerelemente 36, 37 angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel
sind die Außenbolzen 28 aus
Stahl und die Exzenterscheiben 16 aus Messing hergestellt,
wodurch die Reibung der „Drehelementfreien
Verzahnung" verringert
wird.
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In
weiteren Variationen des Ausführungsbeispiels
werden die Exzenterräder 16 aus
Kunststoff gespritzt, oder aus Metall gestanzt, bzw. gesintert. Bei
der Verwendung von Kunststoff für
das Exzenterrad 16 ist zwischen diesem und dem Exzenter 14 eine
Lagerbuchse 48, bspw. aus Sintermaterial eingelegt. Die
Außenbolzen 28 sind
dabei entweder einstückig
mit dem Gehäuse
als Spritzgussteil, oder als metallene Einlegeteile im Spritzguss-Gehäuse ausgebildet.
Durch die Ausbildung des Exzenterrads 16 als Kunststoffscheibe
ist diese in gewissen Grenzen elastisch ausgebildet, so dass sich
die Außenverzahnung 18 an
die Form der äußeren Zahnelemente 24 anpasst
und dadurch die Anzahl der in Eingriff stehenden Zahnelemente 24 erhöht.
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In 3 ist
eine erfindungsgemäße Verzahnung 18, 28 eines
Getriebes gemäß 2 im
Querschnitt dargestellt. Der Innenring 20 ist nur schematisch
dargestellt und weist bspw. einundfünfzig Zahnelemente 24 auf,
die als Triebstock-Verzahnung mit zumindest halbzylinderförmigen Außenbolzen 28 ausgebildet
sind. Das Exzenterrad 16 weist eine Außenverzahnung 18 auf,
die als Perizykloiden-Kurve 42 ohne Unterschnitt ausgebildet
ist, die im Ausführungsbeispiel
fünfzig
Zahnlücken 50 aufweist.
Die perizykloidische Außenverzahnung 42 weist
verglichen mit einer Evolventen-Verzahnung oder einer epizykloidischen
Kurvenform relativ tiefe Zahnlücken 50 auf,
wodurch eine hohe Übersetzung
(hier bspw. i = –50)
erzielt wird, ohne dass die Gefahr eines „Durchschlupfens" bei hohen zu übertragenden Drehmomenten
besteht. Da zur Wechselwirkung mit einer perizykloidischen Außenverzahnung 42 ohne Unterschnitt
als Zahnelemente 24 lediglich Halbzylinder benötigt werden,
können
die Außenbolzen 28 als einstückig mit
dem Hohlrad 22 ausgeformte Halbzylinder 52, oder
als drehfest im Hohlrad 22 gelagerte Außenbolzen 28 ausgebildet
sein.
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Die 4 zeigt
einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen perizykloidischen Kurvenverlaufs 42 ohne
Unterschnitt, im Eingriff mit einem Außenbolzen 28. Zum
Vergleich ist gemäß dem Stand
der Technik eine perizykloidische Außenverzahnung mit einem Unterschnitt 62 dargestellt,
bei dem die Zahnform der Außenverzahnung
eine Taille 63 aufweist. Die Verwendung des Begriffes perizykloidisch
bezieht sich auf die Wahl technisch sinnvoller/realisierbarer Kurvenparameter
und wird im Folgenden näher
definiert. Eine perizykloidische Kurve 42 wird konstruiert,
indem um einen kleineren festen Grundkreis ein den Grundkreis umfassender
größerer Rollkreis
abgerollt wird (Grundkreis befindet sich komplett innerhalb des Rollkreises).
Dabei beschreibt ein fester Punkt auf dem Rollkreis eine verschlungene
zykloidische Bahnkurve, bei der sich bei einem vollständigen Durchlauf
des Rollkreises ein oder mehrere Punkte der Bahnkurve des Bahnpunktes überdecken.
Vom der perizykloidischen Kurve ist die geschweifte, epizykloidische
Kurve zu unterscheiden, die durch das Abrollen eines Rollkreises
auf dem Außenumfang
eines Grundkreises entsteht (Rollkreis befindet sich komplett außerhalb
des Grundkreises).
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In 4 sind
die beiden Außenbolzen 28 jeweils
zum Zeitpunkt des Ein- oder Austritts in oder aus der Außenverzahnung 18 dargestellt,
unmittelbar zu Beginn oder am Ende der Berührung zwischen dem Außenbolzen
und einer Zahnflanke 64 der Außenverzahnung 18 (Austritts-/Eintrittspunkt 66).
Bei der Peryzikloiden-Kurve mit Unterschnitt 62 wirkt zu diesem
Zeitpunkt aufgrund des Unterschnitts eine Normalkraft 68 auf
die Zahnflanke 64, die eine Tangentialkomponente 70 und
eine, das Exzenterrad 16 von dessen Mittelpunkt 67 wegziehende
Radialkomponente 72, aufweist. Dringt der Außenbolzen 28 beim
Durchschreiten der Taille 63 tiefer in die Zahnlücke 50 der
Außenverzahnung 62 ein,
(nicht dargestellt), tritt anstelle der vom Mittelpunkt 67 wegweisenden
Radialkomponente 72 eine zum Mittelpunkt hinweisende Radialkomponente
auf, wodurch das Exzenterrad 16 einer ständigen Vibrationsbelastung ausgesetzt
ist.
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Bei
der Perizykloiden-Kurve 42 ohne Unterschnitt weist die
Normalkraft 68 am Austrittspunkt 66 immer nur
Komponenten 70, 74 auf, die tangential zum Mittelpunkt 67 oder
radial zum Mittelpunkt 67 hin ausgerichtet sind. Bei der
in 4 dargestellten Kurve 42 ohne Unterschnitt
weist die Normalkraft 68 ausschließlich eine Tangentialkomponente 70 ohne
radiale Komponenten 72 oder 74 auf. Dieser Fall
definiert einen Austrittswinkel 76 von 0° zwischen
der Tangentialrichtung 71 und der Normalkraft 68.
Erfindungsgemäß ist die
Zahnflanke 64 der perizykloidischen Kurve 42 ohne
Hinterschnitt derart ausgebildet, dass die Normalkraft 68 beim
Eintritts- oder Austrittspunkt 66 der Zahnelemente 24 einen
Austrittswinkel 76 im Bereich von 0 bis 40°, insbesondere
von 0 bis 20° bildet. Ist
der Austrittswinkel 76 näherungsweise 0°, tritt zum Zeitpunkt
des Ein- oder Austritts 66 der
Zahnelemente 24 nur eine minimale Gleitreibung auf (zwischen Zahnflanke 64 und
Außenbolzen 28),
sodass die gesamte, von dem Zahnelement 24 auf die Zahnflanke 64 einwirkende
Normalkraft 68 zur Momentenübertragung genutzt wird.
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Es
sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der Beschreibung
gezeigten Ausführungsbeispiele
vielfältige
Kombinationsmöglichkeiten
der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann bspw. die
konkrete Ausformung der perizykloidischen Außenverzahnung 42 ohne
Unterschnitt (insbesondere der Bereich zwischen den Zahnflanken 64)
und die konkrete Ausgestaltung der Zahnelemente 24 entsprechend
der Getriebeanwendung variiert werden. Gemäß der Erfindung können jeweils
zwischen dem Exzenterrad 16 und dem Exzenter 14,
und/oder zwischen dem Exzenterrad 16 und dem Hohlrad 22,
und/oder zwischen dem Exzenterrad 16 und dem Abtriebselement 34 drehbare
Lagerelemente 26, 36, 37, 40 angeordnet
werden, vorzugsweise kann jedoch aufgrund der erfindungemäßen Formgebung
der Außenverzahnung 18 auf
solche zusätzlichen
Lagerelemente verzichtet werden. Dadurch können die Getriebebauteile auf
eine Vielzahl sehr günstiger
Herstellungsverfahren gefertigt werden, die sich für eine Massenproduktion
des Getriebes 10 eignen. Durch geeignete Wahl der Materialpaarung
zwischen den beweglichen Teilen, insbesondere einer Kunststoff-Metallkombination,
kann die Gleitreibung zwischen diesen beweglichen Teilen weiter
reduziert werden. Das Hohlrad 22 des Getriebes 10 kann
bspw. auch in einem Hohlraum eines motorischen Antriebs angeordnet
werden, wodurch ein sehr kompakter Verstellantrieb zum Verstellen beweglicher
Teile im Kraftfahrzeug realisiert werden kann.