DE102009000486A1

DE102009000486A1 - Radialflexible Abrollbuchse

Info

Publication number: DE102009000486A1
Application number: DE102009000486A
Authority: DE
Inventors: Martin Hiller; Gerd Speidel
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2010-08-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine radialflexible Abrollbuchse (1) für ein Wellgetriebe (2), bestehend aus einer im Wesentlichen in axialer Richtung der radialflexiblen Abrollbuchse (1) sich erstreckenden, rohrartigen Membran (3), welche eine Außenverzahnung (4) an ihrer Außenmantelfläche (5) trägt und mit einem Flanschbereich (6), wobei die rohrartige Membran (3) im Betrieb der radialflexiblen Abrollbuchse (1), umlaufend in radialer Richtung, durch einen exzentrischen Antriebskern (7) verformt ist und die Außenverzahnung (4) dadurch umlaufend partielgelangt. Um eine radialflexible Abrollbuchse für ein Wellgetriebe anzugeben, deren Betriebsgeräusch minimiert ist, ist vorgesehen, dass zumindest Teilbereiche der radialflexiblen Abrollbuchse (1) ein flächiges Element (10) aus einem nichtmetallischen, elastomeren Werkstoff umfassen, um eine Schwingungs- und/oder Schalldämpfung im Betrieb des Wellgetriebes (2) zu bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine radialflexible Abrollbuchse für ein Wellgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wellgetriebe oder harmonic-drives zur Drehzahlreduzierung von Servomotoren in Robotergetrieben oder in einem Lenksystem sind bekannt und zeichnen sich dadurch aus, dass koaxial zu einem starren, kreisringförmigen Stützring mit einer Innenverzahnung eine radialflexible Abrollbuchse (flex-spline) angeordnet ist. In die radialflexible Abrollbuchse greift ein vorzugsweise ellipsenförmiger Antriebskern ein, der von einem Servomotor in Rotation versetzt wird, wobei ein oder mehrere Umfangsabschnitte einer mit einer Außenverzahnung versehenen Außenmantelfläche der radialflexiblen Abrollbuchse in fortlaufendem Wechsel mit einer starren Innenverzahnung des Stützrings in Eingriff sind. Aufgrund einer Zähnezahldifferenz zwischen dem Stützring und der radialflexiblen Abrollbuchse wird die radialflexible Abrollbuchse relativ zu dem Stützring verdreht und mit ihr beispielweise eine drehfest verbundene Abtriebswelle. Eine Relativdrehung, die im Vergleich zu der Drehzahl des exzentrischen Antriebskernes stark verringert ist, wird dadurch bewirkt. Die Drehzahl des ellipsenförmigen Antriebskerns und des Servomotors wird stark untersetzt.
Beim Betrieb solcher Wellgetriebe, wie sie beispielsweise die DE 10 2004 823 A1 oder die WO 2005 05 4035 A1 beschreiben, können störende Betriebsgeräusche insbesondere durch den Verzahnungseingriff der starren Innenverzahnung des Stützrings mit der Außenverzahnung der radialflexiblen Abrollbuchse entstehen. Bei hohen Drehzahlen sind dies insbesondere Schabegeräusche. Zudem werden Schwingungen insbesondere durch die radialflexible Abrollbuchse hervorgerufen, da diese flexibel ausgeführt ist, um der periodischen Biegebewegung folgen zu können. Die topfförmige Ausgestaltung des Außenzahnrades mit einer geringen Wandstärke aus Stahlblech neigt insbesondere bei einer Anregungsfrequenz nahe der Eigenkreisfrequenz zu erhöhten Schwingungsamplituden. Die Schwingungen können partiell in der radialflexiblen Abrollbuchse auftreten oder sogar in die Abtriebsseite über den Flanschbereich der radialflexiblen Abrollbuchse in die Umgebung des Wellgetriebes geleitet werden. Neben technischen Problemen, welche durch die genannten Schwingungsanregungen auftreten können, kann es bei Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich zu Geräuschen kommen, welche vom Benutzer als störend empfunden werden.
Er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine radialflexible Abrollbuchse für ein Wellgetriebe anzugeben, deren Betriebsgeräusch minimiert ist.
Die Aufgabe wird mit einer radialflexiblen Abrollbuchse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch dass zumindest ein Teilbereich der radialflexiblen Abrollbuchse ein oder mehrere flächige Elemente aus einem nichtmetallischen, elastomeren Werkstoff umfassen, ist eine wirksame Maßnahme geschaffen, eine Schwingungs- und/oder Schalldämpfung im Betrieb des Wellgetriebes zu schaffen, da eine Schallabstrahlung insbesondere von der dünnwandigen, topfförmigen, radialflexiblen Abrollbuchse bedampft wird.
Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es kann zweckmäßig sein, eine radial innere Seite der radialflexiblen Abrollbuchse, insbesondere der rohrartigen Membran auf der Innenseite durch Auftragen eines flächigen Elements aus elastomerem, nichtmetallischem Werkstoff zu bedampfen, indem dieses teilweise oder ganz mit dem elastomeren Werkstoff belegt wird. Dieselbe technische Maßnahme lässt sich auf der Außenseite der radialflexiblen Abrollbuchse verwirklichen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die rohrartige Membran zumindest teilweise oder ganz aus dem nichtmetallischen, elastomeren Werkstoff gebildet ist. Vorzugsweise ist dabei das Element aus dem elastomeren Werkstoff schlauch- oder ringförmig – zylinderartig gebildet, sodaß der Bereich, der die Außenverzahnung trägt, in das Element aus elastomerem Werkstoff übergeht und wiederum dieses in den metallischen Flanschbereich. Der Außendurchmesser der rohrartigen Membran kann entweder an den Außendurchmesser der radialflexiblen Abrollbuchse angepasst sein, oder geringfügig größer sein. Die Innenkontur des Elements aus elastomerem Werkstoff kann an den verbleibenden Innenraum und den ellipsenförmigen Antriebskern angepasst sein.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass ein Übergangsbereich zwischen der rohrartigen Membran und dem Flanschbereich aus elastomerem Werkstoff gebildet ist, um so eine Schwingungsentkoppelung von der rohrartigen Membran auf eine Abtriebswelle, die drehfest mit dem Flanschbereich verbunden ist, zu bewirken. Der Übergangsbereich kann scheiben- oder ringförmig gebildet sein. Es kann auch zweckmäßig sein, den Übergangsbereich u-förmig im Querschnitt mit einer offenen Seite ins Innere der rohrartigen Membran zu bilden.
Die Wandstärke des flächigen Elements oder des ringförmigen Elements ist dabei bevorzugt gleich. Die elastomeren Elemente werden bevorzugt mit ihrer metallischen Umgebung durch Vulkanisieren verbunden, wobei die radialflexible Abrollbuchse entfettet wird, anschließend phosphatiert und mit einem Haftvermittler versehen wird.
Als elastomerer, nichtmetallischer Werkstoff für das flächige oder ringförmige Element eignen sich permanente Elastomere, wie Gummi oder thermoplastische Elastomere (TPE), die in ihrer Härte, Elastizität, Steifigkeit und Festigkeit einstellbar sind. Es eignen sich thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis (TPE-O), die auf vielfältige Weise modifizierbar sind. Thermoplastische Polyester-Elastomere, TPE-E, sind typische technische thermoplastische Elastomere mit polarem Verhalten. Sie verbinden gute Steifigkeit mit hoher Elastizität und eignen sich so zur Darstellung von ganzen Wandteilbereichen der rohrartigen Membran oder des Übergangsbereichs zum Flanschbereich der radialflexiblen Abrollbuchse.
Denkbar in ihrer Anwendung sind auch thermoplastische Polyamid-Elastomere (TPE-A) oder Polyurethan-Elastomere (TPE-U) deren Festigkeitseigenschaften in Abhängigkeit von der Anzahl und Struktur der kristallinen Hart- und amorphen Weich-Segmente abhängig ist, ebenso auch von Zusatzstoffen, wie technische Fasern.
Die Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.
In der Zeichnung zeigt:
1 einen Längsschnitt durch wesentliche Komponenten eines Wellgetriebes mit einer erfindungsgemäßen radialflexiblen Abrollbuchse,
2 einen weiteren Längsschnitt durch wesentliche Komponenten eines Wellgetriebes mit einer erfindungsgemäßen radialflexiblen Abrollbuchse,
3 einen weiteren Längsschnitt durch wesentliche Komponenten eines Wellgetriebes mit einer Ansicht eines Elements aus nichtmetallischem, elastomerem Werkstoff.
In 1 ist in einem Längsschnitt durch wesentliche Komponenten eines Wellgetriebes 2 eine radialflexible Abrollbuchse 1, ein Stützring 9 und ein exzentrischer Antriebskern 7 mit einem darauf aufgezogenen, flexiblen Kugellager 16 gezeigt. Im montierten Zustand des Wellgetriebes 2 greifen die gezeigten Komponenten axial ineinander ein. Die radialflexible Abrollbuchse 1 besteht aus einer dünnwandigen, zylinderartigen Membran 3 aus Stahl, welche an ihrer Außenmantelfläche 5 eine Stirnrad-Außenverzahnung 4 trägt. Die rohrartige Membran 3 geht in einen scheibenartigen Flanschbereich 6 über, mit Hilfe dessen die radialflexible Abrollbuchse 1 an einer Abriebswelle des Wellgetriebes 2 festgelegt ist. Die Außenverzahnung 4 ist dazu ausgebildet, mit einer Verzahnung 8 des Stützrings 9 in Eingriff zu treten. Der exzentrische Antriebskern 7 besitzt eine kreisförmige Nabe 17, eine starre, ellipsenförmige Steuerflächenplatte 18, die in integraler Weise auf der Außenumfangsfläche der Nabe 17 ausgebildet ist, wobei ein flexibles Kugellager 16 auf der Außenumfangsfläche der starren Steuerflächenplatte 18 aufgezogen ist.
Die Steuerflächenplatte 18 mit flexiblem Kugellager 16 biegt bei Rotation der Nabe 17 den Verzahnungsbereich der radialflexiblen Abrollbuchse 1 in eine ellipsenförmige Gestalt, wobei er einen an jedem Ende der elliptischen Hauptachse befindlichen Bereich der Außenverzahnung in Eingriff mit der entsprechenden Verzahnung 8 des Stützringes 9 drückt. Wird die Nabe 17 durch einen Servomotor gedreht, bewegt sich die Position, an denen die beiden Zahnräder miteinander kämmen um den Unfang herum, wodurch aufgrund der Differenz in der Zahl der Zähne eine relative Rotation der Zahnräder erzeugt wird.
Im Allgemeinen beträgt die Differenz in der Anzahl der Zähne der Außenverzahnung 4 und der Verzahnung 8 zwei oder drei Zähne.
Der Stützring 9 ist starr und ortsfest in einem nicht gezeigtem Gehäuse angeordnet. Die radialflexible Abrollbuchse 1 dreht sich relativ zu dem Stützring 9 und deren Rotation wird an dem Flanschbereich 6 abgegriffen, wobei die Drehzahl aufgrund der Differenz in der Anzahl von Zähnen stark reduziert ist.
Auf einer radial äußeren Seite 12 der rohrartigen Membran 3 ist in der Art eines um den gesamten Umfang der radialflexiblen Abrollbuchse angeordneten Mantels ein flächiges Element 10 aus einem nichtmetallischen, elastomeren Werkstoff aufvulkanisiert und dient als Tilger für Schwingungen aufgrund des periodischen Zahneingriffs der beiden Verzahnungen 4 und 8.
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zur Tilgung von Schwingungen der radialflexiblen Abrollbuchse 1 ein ringförmiges Element 15 im Übergangsbereich 14 von der rohrartigen Membran 3 zu dem Flanschbereich 6 einvulkanisiert. Es liegt in einem Teilbereich 13 auf der Innenseite 11 der rohrartigen Membran 3 an und ist mit seinem Flansch 19 stoffschlüssig und kraftschlüssig durch Vulkanisation verbunden. Die Shore-Härte des ringförmigen Elements 15 aus einem nichtmetallischen, elastomeren Werkstoff ist so gewählt, dass es die auftretenden Drehmomente an dem Flansch 19 sicher übertragen kann. Für gleiche Bauteile gelten dieselben Bezugszeichen wie in 1.
Es kann auch zweckmäßig sein, das ringförmige Element 15 als breiten Ring auszuführen und mit axial geführten Bohrungen 20 zu versehen um eine Gewichtseinsparung zu erzielen (vgl. 3).

1: Abrollbuchse, radialflexibel
2: Wellgetriebe
3: Membran, rohrartig
4: Aussenverzahnung
5: Aussenmantelfläche
6: Flanschbereich
7: Antriebskern, exzentrisch
8: Verzahnung
9: Stützring
10: Element, flächig
11: Seite, v. 3
12: Seite, v. 3
13: Teilbereich
14: Übergang
15: Element, ringförmig
16: Kugellager, flexibel
17: Nabe
18: Steuerflächenplatte
19: Flansch
20: Bohrung
a: Wandstärke, v. 15

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004823 A1 [0003]
- WO 2005054035 A1 [0003]

Claims

Radialflexible Abrollbuchse für ein Wellgetriebe (2), bestehend aus einer im Wesentlichen in axialer Richtung der radialflexiblen Abrollbuchse (1) sich erstreckenden, rohrartigen Membran (3), welche eine Aussenverzahnung (4) an ihrer Aussenmantelfläche (5) trägt, und mit einem Flanschbereich (6), wobei die rohrartige Membran (3) im Betrieb der radialflexiblen Abrollbuchse (1) umlaufend in radialer Richtung durch einen exzentrischen Antriebskern (7) verformt ist und die Aussenverzahnung (4) dadurch umlaufend partiell mit einer Verzahnung (8) an einem Stützring (9) in Eingriff gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teilbereiche der radialflexiblen Abrollbuchse (1) ein flächiges Element (10) aus einem nichtmetallischen, elastomeren Werkstoff umfassen um eine Schwingungs- und/oder Schalldämpfung im Betrieb des Wellgetriebes zu bewirken.
Radialflexible Abrollbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) aus einem nichtmetallischen, elastomeren Werkstoff auf einer radial inneren Seite (11) der rohrartigen Membran (3) angeordnet ist.
Radialflexible Abrollbuchse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) aus einem nichtmetallischen, elastomeren Werkstoff auf einer radial äußeren Seite (12) der rohrartigen Membran (3) angeordnet ist.
Radialflexible Abrollbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilbereich (13) der rohrartigen Membran (3) aus einem nichtmetallischen, elastomeren Werkstoff gebildet ist.
Radialflexible Abrollbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrartige Membran (3) und/oder der Flanschbereich (6) der radialflexiblen Abrollbuchse (1) teilweise aus einem nichtmetallischen, elastomeren Werkstoff gebildet sind.
Radialflexible Abrollbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Übergang (14) der rohrartigen Membran (3) zu dem Flanschbereich (6) ein ringförmiges Element (15) aus einem nichtmetallischen, elastomeren Werkstoff als Verbindung zwischen der rohrartigen Membran (3) und dem Flanschbereich (6) dient.
Radialflexible Abrollbuchse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (15) einen u-förmigen Querschnitt aufweist.
Radialflexible Abrollbuchse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (15) eine gleichbleibende Wandstärke aufweist.
Radialflexible Abrollbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Element (10) aus nichtmetallischem, elastomeren Werkstoff durch Vulkanisation mit der rohrartigen Membran (3) und/oder dem Flanschbereich (6) der radialflexiblen Abrollbuchse (1) verbunden ist.
Radialflexible Abrollbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Element (10) aus nichtmetallischem, elastomeren Werkstoff in einer Aussparung der radialflexiblen Abrollbuchse (1) angeordnet ist.
Radialflexible Abrollbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmetallische, elastomere Werkstoff ein permanenter Elastomer ist.
Radialflexible Abrollbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmetallische, elastomere Werkstoff ein thermoplastischer Elastomer ist.
Radialflexibel Abrollbuchse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Elastomer ein Polyester-Elastomer ist.
Radialflexible Abrollbuchse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Elastomer ein Polyamid-Elastomer ist.
Radialflexible Abrollbuchse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Elastomer ein Polyurethan-Elastomer ist.
Radialflexible Abrollbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die radialflexible Abrollbuchse (1) in einem Lenkgetriebe oder Überlagerungsgetriebe eines Lenksystems für ein Fahrzeug eingesetzt ist.