Bei
Antrieben von technischen Mechaniken werden Untersetzungsgetriebe
eingesetzt, welche eine Wellgetriebevorrichtung umfassen, welche
im Allgemeinen als „harmonicdrive" bezeichnet und vertrieben
werden. Eine gattungsgemäße Wellgetriebevorrichtung
besitzt ein starres, kreisförmiges
innenverzahntes Zahnrad bzw. Innenzahnrad, ein flexibles, kreisförmiges außenverzahntes
Zahnrad bzw. Außenzahnrad,
das in dem Innenzahnrad derart angeordnet ist, dass die jeweilige
Verzahnung periodisch ineinander greift, wobei die periodische Wechselbewegung
der Verzahnung durch einen Wellgenerator hervorgerufen wird. Der
Wellgenerator weist einen starren, elliptischen Wellgetriebe-Einsatz
sowie ein Wellgeneratorlager an dem Außenumfang des Wellgetriebes
auf. Im Betrieb wird das flexible Außenzahnrad in eine elliptische
Gestalt gebogen, wodurch die Verzahnungsbereiche des flexiblen Außenzahnrades
an jedem Ende der elliptischen Hauptachse dazu gebracht werden,
mit den entsprechenden Zähnen
des starren Innenzahnrades zu kämmen. Wenn
der Wellgenerator gedreht wird, bewegen sich die Positionen, in
denen die beiden Zahnräder
miteinander kämmen,
um den Umfang herum, wodurch eine relative Rotation erzeugt wird,
die sich aufgrund der Differenz in der Anzahl von Zähnen ergibt.
Im Allgemeinen beträgt
die Differenz in der Anzahl von Zähnen bei den beiden Zahnrädern zwei
Zähne,
bei Anbringung des Innenzahnrades an einem Antriebsgehäuse wird
die rotationsmäßige Ausgangsleistung des
Motors von dem externen Zahnrad abgenommen, wobei die Drehzahl aufgrund
der Differenz in der Anzahl von Zähnen stark vermindert wird,
wobei das Übersetzungsverhältnis mit
einem Faktor größer 100,
minimal größer 50 oder
in Ausnahmefällen
größer 30 beträgt.
Durch
den periodischen Eingriff der Zähne des
flexiblen Außenzahnrades,
welches innerhalb des starren Innenzahnrades angeordnet ist und
in diesem rotiert, werden Schwingungen hervorgerufen, welche sich
im Gesamtsystem der Wellgetriebevorrichtung ausbreiten. Durch die
erzeugten Schwingungen kann es zu einer Geräuschemission und Vibrationen
im mechanischen System kommen. Insbesondere das Außenzahnrad
weist eine Schwingungsanfälligkeit
auf, da dieses flexibel ausgeführt
ist, um der periodischen Biegebewegung zu folgen. Die topfförmige Ausgestaltung
des Außenzahnrades
mit einer geringen Wandstärke
neigt insbesondere bei einer Anregungsfrequenz nahe der Eigenkreisfrequenz
zu erhöhten
Schwingungsamplituden. Die Schwingungen können partiell im Außenzahnrad
auftreten oder sogar in die Abtriebsseite über den Abtriebsflansch des
Außenzahnrades
in das technische System eingeleitet werden. Neben technischen Problemen,
welche durch die genannte Schwingungsanregung auftreten können, kann
es bei Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich zu Geräuschen kommen,
welche vom Benutzer als störend
empfunden werden. Eine mögliche
Anwendung der Wellgetriebevorrichtung kann in einem Lenksäulensteller
im Bereich des Automobilbaus gesehen werden, wobei die Problematik der
Geräuschemission
ein wesentliches Problem darstellt.
Eine
gattungsgemäße Wellgetriebevorrichtung
ist aus der
DE 102
20 336 A1 bekannt. Diese weist ein starres, kreisförmiges Innenzahnrad,
ein flexibles kreisförmiges
Außenzahnrad
sowie einen Wellgenerator auf, der das Außenzahnrad in partiellem Eingriff
mit dem Innenzahnrad radial biegt und die Eingriffsposition der
beiden Zahnräder
in Umfangsrichtung verlagert, wobei der Wellgenerator eine kreisförmige Nabe,
eine um den Außenumfang der
Nabe herum ausgebildete, starre Steuerflächenplatte sowie ein zwischen
einer Außenumfangsfläche der
starren Steuerflächenplatte
und einer Innenumfangsfläche
des Außenzahnrades
vorgesehenes Wellgeneratorlager aufweist. Die hierin offenbarte Wellgetriebevorrichtung
weist Komponenten auf, welche aus metallischen Werkstoffen bestehen,
und jeweils als Festkörper
ausgeführt
sind. Insbesondere die Ausführung
der Komponenten, wie das Außenzahnrad
aus einem durchgehenden Festkörper,
neigt zu möglichen
Schwingungen, die aufgrund der die äußere Hülle bildende Anordnung des
Außenzahnrades
eine besondere Abstrahlung des Körperschalls bewirken.
Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wellgetriebevorrichtung
zu schaffen, welche eine Schwingungs- und/oder Schalldämpfung aufweist,
um eine mechanische Schwingungsanregung sowie eine verminderte Geräuschemission über einen
weiten Drehzahlbereich der Vorrichtung aufzuweisen.
Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer Wellgetriebevorrichtung gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass zumindest das Außenzahnrad ein elastisches
Element umfasst, wobei das elastische Element als technisches Gestrick
ausgeführt
ist, um eine Schwingungs- und/oder Schalldämpfung im Betrieb der Vorrichtung
zu schaffen.
Die
Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass das technische Gestrick
entweder den genannten Bereich des Außenzahnrades ersetzt oder nur
innerhalb der topfförmigen
Innenseite des Außenzahnrades
eingepresst wird. Im ersten Fall wird der Kraftfluss des Außenzahnrades
durch das technische Gestrick übernommen,
wohingegen im zweiten Fall das technische Gestrick lediglich eine
Dämpfung
von der Innenseite bewirkt.
Unter
einem technischen Gestrick wird ein maschenbildendes Gewirk verstanden,
welches einen besonderen Schwingungstilger mit innerer Reibung darstellt,
wobei das Gestrick im Wesentlichen aus einem Metallfaden ausgebildet
ist, der sich nicht nur wie bei einem Geflecht an vielen Stellen
berührt, so
dass hier viele Reibungspunkte gebildet sind, die die Eigenschaften
haben, Schwingungsenergie in Reibung zu verwandeln. Ein solches
technisches Gestrick besteht vielmehr aus einer Vielzahl von Maschen,
also angenähert
kreisförmig
verformten Drähten,
die bei einwirkenden Kräften
eine leichtere Verformung zulassen und damit eine höhere Elastizität im Vergleich
zu einem Geflecht oder Gewebe mit seinen gestreckt verlaufenden
Drähten
ermöglichen. Ein
solches technisches Gestrick kann somit mit erhöhten definierten Eigenschaften
hinsichtlich Reibung und Tilgung eingesetzt werden. Es ist dabei elastisch
zwischen den beiden Komponenten, zwischen denen es eingesetzt ist,
vorgespannt, so dass eine definierte Schwingungsabsorption durch
Tilgung unter Ausnutzung der erhöhten
Elastizität
des Gestricks eintritt. Das technische Gestrick wird aus Metalldraht,
insbesondere aus Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Messing oder dergleichen
erstellt. Es ist damit als elastischer Formkörper mit einer definierten Elastizität ausgebildet,
und kann in eine nahezu beliebige Geometrie gepresst werden. Die
Elastizität wird
durch den Grad der Verdichtung des Drahtgestrickes festgelegt. Die
Verdichtung ist derart ausgeführt,
dass das Drahtgestrick noch ein hinreichendes Rückstellvermögen aufweist, welches einerseits
ermöglicht,
dass die beiden verbundenen Komponenten des Außenzahnrades drehfest miteinander
verbunden sind. Andererseits wird durch die definierte begrenzte
Elastizität
die Konzentrizität
des Außenzahnrades
beibehalten, und kann diese je nach Belastung im rückgestellten,
kraftlosen Zustand wiederherstellen. Insbesondere die begrenzte
reproduzierbare Bewegung der beiden verbundenen Komponenten des
Außenzahnrades
zueinander führt
zu dem angestrebten Wirkmechanismus der Schwingungstilgung durch
die innere Reibung im technischen Gestrick.
Das
technische Gestrick kann dabei fertigungstechnisch so zusammengepresst
sein, dass die Elastizität
richtungsunabhängig
von der Belastung gegeben ist.
Das
technische Gestrick kann entweder als Vollzylinderabschnitt im inneren
Bereich des Außenzahnrades
ausgebildet sein oder als ringförmiges Element
geformt sein, wobei die Elastizität des technischen Gestrickes
zumindest so groß ist,
dass das flexible Außenzahnrad
weiterhin die periodische Biegebewegung ausführen kann. Die elastische Rückstellung
der mit der Biegebewegung verformten Bereiche des Außenzahnrades
kann entweder durch den mantelförmigen
Zylinderabschnitt des Außenzahnrades
selbst erfolgen oder durch die Elastizität des technischen Gestrickes
erreicht werden. Ersetzt das technische Gestrick den Bereich des
zylindrischen Körpers
des Außenzahnrades,
so ist eine Fügeverbindung
zwischen dem technischen Gestrick und dem Bereich des Außenzahnrades
sowie eine Verbindung zwischen dem Flanschabschnitt des Außenzahnrades
und dem technischen Gestrick erforderlich. Die Fügeverbindung kann durch ein
Einpressen, durch eine Löt-
bzw. Schweißverbindung,
eine Klebeverbindung oder einer sonstigen vergleichbaren Verbindung
realisiert sein.
Eine
weitere, vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass das Außenzahnrad im Bereich des zylindrischen
Körpers
zumindest teilweise als technisches Gestrick ausgebildet ist. Dabei
ist das technische Gestrick schlauch- bzw. ringförmig mit einer länglichen
Ausdehnung ausgebildet, so dass lediglich ein Abschnitt des zylindrischen
Topfes des Außenzahnrades
in das technische Gestrick übergeht,
und eine entsprechende Schwingungstilgung hervorruft. Der Außendurchmesser
des ringförmigen
technischen Gestricks kann entweder an den Außendurchmesser des Außenzahnrades
angepasst sein oder einen geringfügig größeren Durchmesser umfassen.
Der topfförmige
Innenraum des Außenzahnrades
nimmt zumindest teilweise den Körper des
Wellgenerators bzw. der Nabe auf, so dass die Innenkontur des ringförmigen technischen
Gestricks an den verbleibenden Innenraum angepasst werden muss.
Eine
weitere, vorteilhafte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Außenzahnrad zweiteilig ausgeführt ist
und einen äußeren Rohrabschnitt
aufweist, in das sich ein einen radialen Zwischenraum bildender
innerer Rohrabschnitt erstreckt, wobei im Zwischenraum das technische
Gestrick angeordnet ist. Diese Ausführungsform ist durch eine hohe
Stabilität
gekennzeichnet, da das technische Gestrick in Form eines Schlauchabschnittes
sowohl innenseitig durch den inneren Rohrabschnitt als auch außenseitig
durch den äußeren Rohrabschnitt
ummantelt und damit begrenzt ist. Das technische Geestrick kann
dabei in die jeweiligen Rohrabschnitte eingepresst bzw. aufgepresst
werden, wobei auch hier eine Fügeverbindung mittels
Schweißen,
Löten,
Kleben oder dergleichen möglich
ist. Das technische Gestrick kann bei der Herstellung des schlauchförmigen Abschnittes
in seiner Herstellung als bandförmiges
Material um den inneren Rohrabschnitt gewickelt werden und anschließend gepresst
werden. Durch die Höhe
der Presskraft ist zudem die radiale Elastizität zwischen dem inneren und äußeren Rohrabschnitt
bestimmbar. Auch in diesem Ausführungsbeispiel
wird die Geometrie des technischen Gestrickes und insbesondere des
inneren Rohrabschnittes an den verbleibenden Bauraum der Innenseite
des topfförmigen
Abschnittes des Außenzahnrades
angepasst, so dass im montierten Zustand der Wellgetriebevorrichtung
der Wellgenerator bzw. die Nabe zumindest teilweise im Innenraum
des Außenzahnrades
angeordnet werden kann.
Das
technische Gestrick kann vorteilhafterweise als Metallgestrick ausgeführt sein,
wobei der Einsatz des technischen Gestrickes in Form eines gewirkten
Schlauches nicht nur herstellungstechnisch vorteilhaft ist, sondern
auch Vorteile in der Anwendung bietet, indem offene Kanten vermieden werden
können
und die Maschen des Gestrickes jeweils an benachbarten Maschen gehalten
sind. Ein solcher Schlauch wird zunächst gewickelt, womit eine
erste Stufe der Verdichtung des Gewirks erreicht ist. Diese reicht
jedoch nicht aus, um die definierte Elastizität zu erreichen, die zur drehfesten
Verbindung der Komponenten des geteilten Außenzahnrades erforderlich ist.
An den Wickelvorgang schließt sich
deshalb als zweite Stufe ein Verpressungsvorgang an, an welchem
die Maschen verformt und so ein Formkörper mit neuen Eigenschaften
geschaffen wird. Ausgehend von einem Schlauch als Halbschlauch flach-gefaltet,
kann das Drahtgestrick in Form des gewirkten Schlauches in flachliegender Form
mehrlagig aufgewickelt und nachfolgend verpresst sein. Das Drahtgestrick
in Form des zusammengedrückten
Halbschlauches wirkt über
einen Dorn, welcher im Ausführungsbeispiel
in der Form des inneren Rohrabschnitts ausgeführt sein kann, mehrlagig aufgewickelt
und dann durch eine Druckanwendung in radialer Richtung gewickelt
bzw. mit der Achse des inneren Rohrabschnitts verpresst wird. Dabei
entstehen dünnwandige
Formkörper,
die eingesetzt werden können,
wenn der Zwischenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohrabschnitt
eine geringe radiale Breite aufweist. Ebenfalls ist es möglich, das
technische Gestrick in Form des gewirkten Schlauches in Richtung
der Längsachse aufzurollen
und in dieser zu verpressen. Dabei wird eine axiale Steifigkeit
erreicht, wobei eine Verpressung sowohl in radialer Richtung als
auch anschließend
in axialer Richtung überlagert
werden kann, um eine entsprechende Elastizität in der jeweiligen Richtung
zu erzielen. Wird der Schlauch in Richtung der Längsachse aufgerollt und nachfolgend
verpresst, so wird dieser zunächst
durch eine Rollbewegung in Richtung seiner Längsachse bewegt, so dass ein
ringartiger Zwischenkörper
entsteht, an dem die Maschen in einer geordneten Relativlage zueinander
in Erscheinung treten. Der nach der Verpressung entstehende Formkörper eignet
sich insbesondere für Zwischenräume zwischen
dem inneren und äußeren Abschnitt,
welche eine größere radiale
Breite aufweisen.
Eine
mögliche
Ausführung
des technischen Gestricks kann so vorgesehen werden, dass das technische
Gesrick eine Maschenbreite von etwa 1 mm bis etwa 5 mm, vorzugsweise
von etwa 2 mm bis etwa 4 mm und besonders bevorzugt von etwa 3 mm aufweist.
Ist das technische Gestrick beispielsweise aus einem Edelstahldraht
hergestellt, so kann dieser einen Durchmesser von etwa 0,1 mm bis
etwa 0,4 mm umfassen. Jedoch sind auch andere Durchmesser denkbar.
Die technischen Eigenschaften des verdichteten, technischen Gestricks
können
durch entsprechende konstruktive Gestaltung des Drahtdurchmessers
und der Maschengröße beeinflusst
werden. Im Allgemeinen kann das technische Gestrick aus einem einfädigen Edelstahldraht
gewirkt sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass das technische Gestrick aus
mehrfädigem
Edelstahldraht gewirkt ist. Das technische Gestrick kann zunächst als
Einzelteil hergestellt sein, so dass dieses längs entlang der Achse des Schlauchabschnittes
zusammengepresst wird, wobei der entstehende Block nochmals quer
zur Achse zusammengepresst wird, wobei die Drähte wiederum über ihre
Fließgrenze
hinaus beansprucht werden, ohne dass die Federkonstante längs der erstgenannten
Achse wesentlich beeinflusst wird. Damit ergibt sich in Richtung
des zweiten Zusammenpressens ebenfalls eine bestimmte gleichbleibende
Federkonstante, so dass das Außenzahnrad mit
dem erfindungsgemäß hergestellten
technischen Gestrick hinsichtlich seiner Anwendung nicht nur in radialer
Richtung, sondern auch in Längsrichtung mechanisch
beansprucht werden kann. Das Pressen in radialer Richtung, welches
auf ein Pressen in axialer Richtung folgt, kann vorzugsweise derart
ausgeführt
werden, dass dabei die Dichte des elastischen Elements gegenüber der
Dichte nach dem ersten Zusammenpressen im Wesentlichen verdoppelt
wird. Auf diese Weise erhalten die Metallgewebe-Elemente etwa gleiche
Eigenschaften in beiden Pressrichtungen.
Vorteilhafterweise
kann die erfindungsgemäße Wellgetriebevorrichtung
als Getriebekomponente in einem Lenksäulenversteller eines Fahrzeugs
angewendet werden. Bei dieser Anwendung ist eine Getriebestufe mit
einer entsprechend großen Übersetzung
erforderlich, da ein Antrieb in Form eines elektrischen Motors einen
schnelldrehenden Abtrieb aufweist und die Verstellung einer Lenksäule mittels des
elektrischen Antriebs eine vergleichsweise langsame Bewegung aufweist.
Bei dieser Anwendung tritt insbesondere die Dämpfung des abgestrahlten Körperschalls
in den Vordergrund, da der Betrieb der Lenksäulenverstellung somit im Innenraum
eines Fahrzeugs eine Geräuschentwicklung
im Wesentlichen vermeidet oder zumindest hinreichend dämpft.
Die
in 1 dargestellte Wellgetriebevorrichtung 1 weist
ein starres, kreisförmiges
innenverzahntes Innenzahnrad 2 auf, ein topfförmiges flexibles
außenverzahntes
Außenzahnrad 3,
welches im Inneren des Innenzahnrades 2 angeordnet ist
sowie einen starren elliptischen Wellgenerator 4 aufweist, der
im Außenzahnrad 3 angeordnet
ist. Das topfförmige
Außenzahnrad 3 besitzt
einen zylindrischen Körper 8,
eine scheibenförmige
Membran 12, die sich von der Öffnung an dem einen Ende des
zylindrischen Körpers 8 radial
nach innen erstreckt, eine ringförmige
Erhebung 13, welche in integraler Weise mit dem inneren
Rand der Membran 12 ausgebildet ist und als Flansch zum
mechanischen Anschluss eines Abtriebs dient, sowie eine Außenverzahnung 14, die
auf dem Außenumfang
um die Öffnung
an dem anderen Ende des zylindrischen Körpers 8 ausgebildet
ist. Die Außenverzahnung 14 ist
dazu ausgebildet, mit einer Innenverzahnung 15 des Innenzahnrades 2 in
Eingriff zu treten. Der Wellgenerator 4 besitzt eine kreisförmige Nabe 5,
eine starre, elliptische Steuerflächenplatte, die in integraler
Weise auf der Außenumfangsfläche der
Nabe 5 ausgebildet ist, sowie ein Wellgetriebelager 6 auf
der Außenumfangsfläche der
starren Steuerflächenplatte.
Das
Außenzahnrad 3 weist
aufgrund seiner topfförmigen
bzw. becherförmigen
Gestalt einen Innenraum auf, in dem ein technisches Gestrick 7 angeordnet
ist. Das technische Gestrick 7 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
in die Innenseite des Außenzahnrades 3 eingepresst,
so dass auftretende Schwingungen aufgrund des periodischen Zahneingriffs
der Verzahnung 14 in die Innenverzahnung 15 getilgt
werden. Gemäß der Darstellung
in 1 ist der Körper
des technischen Gestricks 7 in das topfförmige Außenzahnrad 3 eingepresst,
wobei – ohne
dies in der 1 graphisch näher darzustellen – das technische
Gestrick im Bereich des zylindrischen Körpers 8 des Außenzahnrades 3 diesen
ersetzen kann, so dass der Abschnitt des Außenzahnrades 3, welcher
in die Außenverzahnung 14 übergeht,
einerseits an der Umfangsfläche des
technischen Gestricks 7 durch eine Fügeverbindung verbunden ist,
und nicht in die Membran 12 kontinuierlich übergeht.
Die ringförmige
Erhebung 13 ist dabei wiederum durch eine Fügeverbindung
mit dem technischen Gestrick 7 verbunden, so dass der Kraftfluss
bzw. das Drehmoment, welches im Außenzahnrad 3 auftritt,
durch das technische Gestrick 7 übertragen wird. Das technische
Gestrick 7 ist gemäß 1 als
Zylinderabschnitt in Form eines Vollzylinders dargestellt, wobei
ebenso ein Ringabschnitt mit einer entsprechenden Hohlbohrung des
technischen Gestricks 7 eine weitere, mögliche Ausführungsform darstellt. Insbesondere
hinsichtlich der Herstellung des technischen Gestricks 7 auf
einer Vorrichtung gemäß einem
Dorn ist eine ringförmige Gestalt
des technischen Gestricks 7 vorteilhaft, diese ist jedoch
zur Vereinfachung graphisch nicht näher ausgeführt.