DE102011079152A1

DE102011079152A1 - Getriebe

Info

Publication number: DE102011079152A1
Application number: DE201110079152
Authority: DE
Inventors: Christian Witt; Thorsten Schubert; Thomas Mehlis
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-01-17
Also published as: WO2013007453A1

Abstract

Getriebe mit wenigstens einer Getriebestufe umfassend zwei Zahnräder, die über ein Zwischenzahnrad gekoppelt sind, wobei das Zwischenzahnrad über ein Verstellmittel zur Einstellung des Spiels zu den gekoppelten Zahnrädern verstellbar ist, wobei das Verstellmittel (7) ein über eine Steuerungseinrichtung (13) ansteuerbarer Elektromotor (8) ist, wobei das Zwischenzahnrad (6) mit dem Rotor (12) des Elektromotors (8) gekoppelt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Getriebe mit wenigstens einer Getriebestufe umfassend zwei Zahnräder, die über ein Zwischenzahnrad gekoppelt sind, wobei das Zwischenzahnrad über ein Verstellmittel zur Einstellung des Spiels zu den gekoppelten Zahnrädern verstellbar ist.
Hintergrund der Erfindung
Getriebe umfassen wenigstens eine Getriebestufe, häufig auch mehrere Getriebestufen, wobei jede Getriebestufe wenigstens zwei miteinander kämmende Zahnräder, üblicherweise stirnverzahnte Räder, aufweist. Fertigungsbedingt ergibt sich aufgrund gegebener Toleranzen etc. stets ein gewisses Getriebespiel, das heißt, dass die Zahnräder insbesondere beim Anlaufen respektive beim Wechseln der Drehrichtung nicht zu jedem Zeitpunkt in Eingriff stehen. Dieses Getriebespiel wird jedoch zumeist akzeptiert, da versucht wird, es so gering wie möglich auszulegen. Jedoch ergibt sich hieraus eine erschwerte Regelbarkeit einer angeschlossenen Antriebsmaschine, da sich der Antriebsstrang nicht nur durch die Torsionssteifigkeit der Antriebswelle verändert, sondern zusätzlich auch das Spiel des Getriebes respektive innerhalb der Verzahnungen zu berücksichtigen ist. Zudem ist mit einer höheren Geräuschentwicklung bei schnellen Lastwechseln im Getriebe zu rechnen, da beim Lastwechsel die aneinander anliegenden Zahnflanken wechseln.
Um einen Spielausgleich zu ermöglichen ist es bekannt, zwei Zahnräder einer Zahnradstufe über ein Zwischenzahnrad zu koppeln, wobei dieses Zwischenzahnrad über Verstellmittel mit seiner Drehachse etwas verstellt werden kann, um das Spiel auszugleichen. Ein Beispiel für ein derartiges Getriebe ist aus DE 10 2009 027 509 A1 bekannt. Dort wird, beispielsweise über einen Exzenter oder mittels Federkraft, die Drehachse des Zwischenzahnrads relativ zu den feststehenden Drehachsen der gekoppelten Zahnräder etwas verschoben, so dass sich zwangsläufig eine Veränderung der Achsabstände ergibt und hieraus resultierend ein vorhandenes Spiel zwischen den in Eingriff stehenden Zahnrädern korrigiert respektive die Zahnräder spielfrei gestellt werden können. Jedoch ist der konstruktive Aufwand beachtlich, da eine entsprechende linearverschiebliche Lagerung des Zwischenzahnrads respektive seiner Achse gegeben sein muss, wie auch selbstverständlich entsprechende Stellmittel vorgesehen werden müssen.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Getriebe anzugeben, das dem gegenüber verbessert ist und ein einfaches Verstellen des Zwischenzahnrads zur Spieleinstellung ermöglicht.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Getriebe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verstellmittel ein über eine Steuerungseinrichtung ansteuerbarer Elektromotor ist, wobei das Zwischenzahnrad mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelt ist.
Beim erfindungsgemäßen Getriebe ist das Zwischenzahnrad mit einem Elektromotor, konkret mit dessen Rotor verbunden. Das heißt, dass das Zwischenzahnrad selbst mit einem aktiven Antriebselement gekoppelt ist, es kann also selbst um seine feststehende Drehachse verdreht werden. Hierzu ist lediglich der Elektromotor über seine zugeordnete Steuerungseinrichtung entsprechend anzusteuern, so dass über die bekannte Stator-Rotor-Feldkopplung der Rotor und mit ihm das Zwischenzahnrad etwas verdreht wird, so dass es folglich zu einer Lageänderung relativ zu den gekoppelten Zahnrädern und mithin zu einer Änderung der Zahneingriffssituation kommt. Eine aufwändige Linearverstellung wie im Stand der Technik ist nicht erforderlich. Das heißt, dass unter Verwendung eines solchen Elektromotors das Zwischenzahnrad des Getriebes vorgespannt werden kann, mithin also jedwedes Spiel bei Bedarf ausgeglichen werden kann. Hierzu ist lediglich eine kurze Ansteuerung des Elektromotors und ein sehr kurzer Verdrehwinkel des Zwischenzahnrads erforderlich. Die Vorspannung muss dabei jeweils in die richtige Drehrichtung erfolgen, was durch eine entsprechende Regelung über die Steuerungseinrichtung des Elektromotors ohne weiteres realisiert werden kann. Da diese Spieleinstellung nur in ganz bestimmten Situationen erforderlich ist, beispielsweise beim Anlaufen beziehungsweise beim Umschalten der Drehrichtung respektive beim Lastwechsel, wird der Elektromotor nur zu diesen bestimmten Zeitpunkten betätigt, das heißt, dass er nur dann bestromt wird und die Vorspannung nur während dieser Momente aufgebracht wird. Während des normalen Betriebs, wenn also das Getriebe normal arbeitet, ist der Elektromotor stromlos geschaltet, das heißt, dass das Zwischenzahnrad widerstandsfrei mitdreht, mit ihm natürlich auch der Rotor, um kein zusätzliches Verlustmoment zu erzeugen.
Hinsichtlich der konkreten Anbindung des Zwischenzahnrads an den Rotor sind unterschiedliche Ausgestaltungen denkbar, die letztlich auch von der Art des verwendeten Elektromotors abhängig sind. Gemäß einer ersten Erfindungsalternative kann der Elektromotor ein Außenläufermotor sein, wobei das Zwischenzahnrad stirnseitig an dem Rotor befestigt ist oder selbst als Rotor ausgebildet ist. Bei dieser Erfindungsausgestaltung befindet sich also der Stator im Zentrum, der Rotor umgibt den Stator und läuft außen um den Stator herum. Entweder kann das Zwischenzahnrad an der Stirnseite des Rotors, der üblicherweise einen hohlzylindrischen Träger oder dergleichen aufweist, angeordnet sein, alternativ ist es auch denkbar, das Zwischenzahnrad selbst als Rotor auszugestalten respektive es entsprechend mit einem hohlzylindrischen Ansatz zu konfigurieren, an dem dann die entsprechenden Rotorbauteile, beispielsweise die erforderlichen Permanentmagneten, angeordnet sind.
Der Rotor ist, da er ein drehendes Bauteil ist, selbstverständlich entsprechend zu lagern, wobei dies üblicherweise über geeignete Wälzlager zu einer Welle oder Achse des Stators hin erfolgt. Sofern allein die Rotorlagerung ausreichend ist, eine hinreichende Abstützung des Zwischenzahnrads zu realisieren, ist eine separate Lagerung des Zwischenzahnrads nicht erforderlich. Bevorzugt jedoch ist auch das Zwischenzahnrad separat über ein geeignetes Wälzlager drehgelagert, wobei das Wälzlager bevorzugt auf einer Welle oder Achse des Stators angeordnet ist, mithin also das Zwischenzahnrad auf der Statorwelle drehgelagert ist. Die Statorwelle stützt also das Zwischenzahnrad ab, so dass im Betrieb des Getriebes auch hohe Momente über das Zwischenzahnrad übertragen werden können. Eine separate Lagerung des Rotors kann in diesem Fall entfallen, er wird, da er keine Last aufnimmt, über das Zahnradlager mitgelagert.
Eine Alternative zu der beschriebenen Ausführungsform mit dem Außenläufermotor sieht den Einsatz eines Elektromotors in Form eines Innenläufermotors vor, wobei in diesem Fall das Zwischenzahnrad auf einer Welle des Rotors aufsitzt, oder selbst den Rotor bildet. Bei dieser Erfindungsausgestaltung ist also der Rotor das innenliegende Bauteil, er ist vom hohlzylindrischen Stator umgriffen. Der Rotor selbst ist, wie beschrieben, über geeignete Wälzlager gelagert, wobei das Zwischenzahnrad ebenfalls über diese Lagerung drehgelagert ist. Es sitzt zweckmäßigerweise direkt auf der Rotorwelle auf, ist also über geeignete drehfeste Verbindungsmittel mit der Rotorwelle verbunden. Auch hier ist es denkbar, dass das Zwischenzahnrad selbst den Rotor bildet, beispielsweise indem das Zwischenzahnrad eine entsprechende zentrale Welle aufweist, die letztlich die Rotorwelle bildet und mit den entsprechenden zusätzlichen rotorspezifischen Bauteilen, beispielsweise den bereits genannten Permanentmagneten bestückt ist.
Wie bereits beschrieben ist es letztlich lediglich erforderlich, den Elektromotor nur zu bestimmten Zeitpunkten in Betrieb zu nehmen, respektive den Verstellvorgang nur zu bestimmten Momenten und dann auch nur sehr kurzzeitig vorzunehmen. Um dies regelungstechnisch exakt durchführen zu können sind zweckmäßigerweise Erfassungsmittel zum Erfassen des Anlaufens des angetriebenen Zahnrads des Getriebes oder eines Wechsels der Drehrichtung des angetriebenen Zahnrads vorgesehen, wobei der Betrieb des Elektromotors in Abhängigkeit des Erfassungsergebnisses steuerbar ist. Das heißt, dass über die Erfassungsmittel konkret abgetastet wird, ob eine Situation gegeben ist, die einen Spielausgleich erfordert oder nicht. Die Erfassungsmittel können dabei beliebig sein, beispielsweise Drehwinkelsensoren, die unmittelbar am über eine Antriebswelle angetriebenen Zahnrad des Getriebes oder der Getriebestufe oder an dessen Antriebswelle die momentane Situation sensieren, oder aber Kraftsensoren, die der Erfassung der Momentenübertragung und ähnlichem dienen. Sobald diese Erfassungsmittel respektive Sensoren, die die Situation kontinuierlich erfassen, ein Signal liefern, das seitens der Steuerungseinrichtung verarbeitet wird und anzeigt, dass beispielsweise ein Anlaufvorgang respektive ein Lastwechsel eingeleitet wird, wird sofort über die Steuerungseinrichtung der Elektromotor zum Spielausgleich entsprechend angesteuert.
Neben dem Getriebe selbst betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum Verstellen des Spiels in einem Getriebe der beschriebenen Art, welches Verfahren sich dadurch auszeichnet, dass der Motor nur im Moment des Anlaufens eines angetriebenen Zahnrads des Getriebes oder im Moment des Wechselns der Drehrichtung des angetriebenen Zahnrads bestromt und nach der Verstellung stromlos geschaltet wird. Die Dauer der Bestromung wie auch der Verstellwinkel, die beide durchaus aus situationsabhängig variieren können, sind als entsprechende Regelparameter in der Steuerungseinrichtung hinterlegt, so dass eine exakte, situationsbezogene Motorsteuerung möglich ist. Zweckmäßigerweise wird der Anlauf- oder Wechselmoment mittels eines Erfassungsmittels, das mit der Steuerungseinrichtung des Elektromotors kommuniziert, erfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Getriebes einer ersten Ausführungsform in einer Schnittansicht,
2 eine Aufsicht auf das Getriebe, und
3 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Getriebes einer zweiten Ausführungsform in einer Schnittansicht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Getriebe 1 mit im gezeigten Beispiel einer Getriebestufe, umfassend ein erstes, über eine Antriebswelle 2, die mit einem entsprechenden Motorabtrieb gekoppelt ist, angetriebenes Zahnrad 3 sowie ein zweites, mit einer Abtriebswelle 4 verbundenes Zahnrad 5, wobei die Zahnräder 3 und 5 jeweils stirnverzahnt sind.
Die beiden Zahnräder 3 und 5 sind über ein Zwischenzahnrad 6 miteinander gekoppelt. Das Zwischenzahnrad 6 seinerseits ist mit einem Verstellmittel 7 in Form eines Elektromotors 8 gekoppelt, mithin also mit einem aktiven Drehantriebsmittel, über das das Zwischenzahnrad 6 aktiv verdreht werden kann.
Der Elektromotor umfasst in an sich bekannter Weise einen Stator 9, der eine Statorwelle 10 aufweist, auf welcher das Zwischenzahnrad 6 über ein Lagermittel 11, bevorzugt ein entsprechend ausgelegtes Wälzlager (z. B. Nadellager), drehgelagert ist. Die Welle 10 ist lage- und drehfest angeordnet.
Der Elektromotor 9 umfasst des Weiteren einen Rotor 12, der bei Bestromung des Stators 9, der selbstverständlich hierfür die entsprechenden Wicklungen aufweist, über das bestromungsbedingte Wanderfeld gekoppelt und gedreht wird. Das Zwischenzahnrad 6 ist nun stirnseitig am Rotor 12, an dem entsprechende, der Magnetfeldkopplung dienende Elemente wie Permanentmagneten oder dergleichen in an sich bekannter Weise vorgesehen sind, angeordnet. Der Rotor 12 ist im gezeigten Beispiel selbst nicht drehgelagert, er partizipiert von der Drehlagerung des Zwischenzahnrads 6 über das Lagermittel 11. Denkbar wäre es aber natürlich auch, den Rotor 12 selbst in geeigneter Weise an der Welle 10 drehzulagern, sofern dies erforderlich ist.
Dem Elektromotor 8 zugeordnet ist eine Steuerungseinrichtung 13, die den Bestromungsbetrieb des Stators 9 respektive seiner Wicklungen steuert. Die Steuerung erfolgt derart, dass der Elektromotor 8 nur zu ganz bestimmten Zeitpunkten angesteuert und mithin eine Verdrehung des Zwischenzahnrads 6 relativ zu den Zahnrädern 3 und 5 erfolgt. Ein solcher Moment ist beim Andrehen des bis dahin stehenden Getriebes gegeben, wenn also über die Antriebswelle 2 das erste Zahnrad 3 angedreht wird, oder bei einem Wechsel der Drehrichtung, wenn über die Antriebswelle 2 die Drehrichtung des Zahnrads 3 umgekehrt wird. Um exakt diese Momente zu erfassen ist ein Erfassungsmittel 14 in Form eines geeigneten Sensors oder dergleichen vorgesehen, der dem Zahnrad 3 zugeordnet ist und dessen Bewegung oder Verdrehung oder eine etwaige Krafteinleitung etc. sensiert, wobei dieser Sensor natürlich auch mit der Antriebswelle 2 zusammenwirken kann. In jedem Fall kommuniziert er mit der Steuerungseinrichtung 13. Ergibt das Sensorsignal, dass eine entsprechende Situation gegeben ist, die es erfordert, ein etwaiges Spiel zwischen den gekoppelten Zahnrädern 3, 5 und 6 durch Verdrehen des Zwischenzahnrads 6 zu kompensieren und mithin die Zahnräder gegeneinander vorzuspannen, so wird dies einerseits seitens der Steuerungseinrichtung in Folge der Signalauswertung erfasst, zum anderen unmittelbar der Stator 9 bestromt, so dass der Rotor 12 leicht verdreht wird, mithin sich also die Eingriffslage am Eingriff der Verzahnung 15 des Zahnrads 3 mit der Verzahnung 16 des Zwischenzahnrads respektive der Eingriff der Verzahnung 17 des Zahnrads 5 mit der Verzahnung 18 des Zwischenzahnrads 6 verstellt und mithin ein entsprechendes Spiel komplett ausgeglichen wird. Sobald alle Zahnräder entsprechend verspannt respektive spielfrei gekoppelt sind und, mithin also ein spielfreier Momentenübertrag möglich ist, wird über die Steuerungseinrichtung 13 der Elektromotor respektive der Stator 9 stromfrei geschaltet, so dass der Rotor frei dreht, mithin also über den Elektromotor keine Lastkomponente entgegengesetzt wird. Die Erfassung des Zeitpunkts zur Stromfreischaltung kann z. B. durch Überwachung des sich bei einer Zahnflankenanlage erhöhenden Drehmoments des Elektromotors 8 erfolgen.
2 zeigt als Aufsicht die Zahnradkonfiguration, wobei über die Doppelpfeile die jeweiligen Drehrichtungen und Momenteneinträge dargestellt sind. Das Zahnrad 3 kann in beide Richtungen über die Antriebswelle 2 gedreht werden, sowohl im Antriebs- als auch im Drehrichtungs- oder Lastwechselfall. Die Verstellung des Zwischenzahnrads zur Verspannung respektive zum Spielausgleich erfolgt in entgegensetzte Richtung, um in kürzester Zeit die miteinander kämmenden Zahnflanken in Anlage zu bringen, woraufhin sofort wiederum die Stromfreischaltung des Elektromotors erfolgt, so dass der Rotor bei fortgesetztem Getriebebetrieb leer mitdreht.
3 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform des Getriebes 1, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Vorgesehen ist wiederum eine Antriebswelle 2 mit einem Zahnrad 3, eine Abtriebswelle 4 mit einem Zahnrad 5 sowie ein Zwischenzahnrad 6, das wiederum mit einem Verstellmittel 7 in Form eines Elektromotors 8 bestehend aus Stator 9 und Rotor 12 gekoppelt ist, wobei auch hier das Zwischenzahnrad 6 mit dem Rotor 12 verbunden ist.
Während 1 einen Elektromotor vom Außenläufertyp zeigt, ist der in 3 gezeigte Elektromotor 8 ein Innenläufer. Das heißt, der Rotor 12 liegt innerhalb des hohlzylindrischen Stators 9. Der Rotor 12 weist eine Rotorwelle 19 auf, die im gezeigten Beispiel über zwei Lagermittel 20, auch hier geeignete Wälzlager, drehgelagert ist. Das Zwischenzahnrad 6 ist drehfest und axial fest auf der Rotorwelle 19 befestigt und über die Lagermittel 20 drehgelagert. Wird nun über die Steuerungseinrichtung 13 in Abhängigkeit eines entsprechenden Erfassungssignals des Erfassungsmittels 14 der Stator 9 angesteuert, also bestromt, kommt es wiederum zu einer Verdrehung des Rotors 12 und damit des Zwischenzahnrads und mithin zu einem Spielausgleich respektive, sofern gewünscht, einer Vorspannung der gekoppelten Zahnräder 3, 5 und 6. Auch hier erfolgt die Betätigung des Elektromotors und damit die aktive Verdrehung des Zwischenzahnrads 6 nur zu bestimmten Zeitpunkten, das heißt dass der grundsätzliche Betrieb dem entspricht, wie er bezüglich der 1 und 2 bereits beschrieben wurde. Lediglich der verwendete Elektromotor 8 ist vom Typ her ein anderer, woraus zwangsläufig auch eine entsprechende andere Anbindung des Zwischenzahnrads 6 resultiert. Der Zeitpunkt der Stromlosschaltung kann auch hier als der Moment, in dem das Drehmoment am Elektromotor 8 infolge der Zahnflankenanlage der gekoppelten Räder ansteigt, ermittelt werden.
Bezugszeichenliste

1: Getriebe
2: Antriebswelle
3: Zahnrad
4: Abtriebswelle
5: Zahnrad
6: Zwischenzahnrad
7: Verstellmittel
8: Elektromotor
9: Stator
10: Statorwelle
11: Lagermittel
12: Rotor
13: Steuerungseinrichtung
14: Erfassungsmittel
15: Verzahnung
16: Verzahnung
17: Verzahnung
18: Verzahnung
19: Rotorwelle
20: Lagermittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009027509 A1 [0003]

Claims

Getriebe mit wenigstens einer Getriebestufe umfassend zwei Zahnräder, die über ein Zwischenzahnrad gekoppelt sind, wobei das Zwischenzahnrad über ein Verstellmittel zur Einstellung des Spiels zu den gekoppelten Zahnrädern verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellmittel (7) ein über eine Steuerungseinrichtung (13) ansteuerbarer Elektromotor (8) ist, wobei das Zwischenzahnrad (6) mit dem Rotor (12) des Elektromotors (8) gekoppelt ist.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) ein Außenläufermotor ist, wobei das Zwischenzahnrad (6) stirnseitig an dem Rotor (12) befestigt ist oder selbst als Rotor aus (12) gebildet ist.
Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenzahnrad (6) auf einer Welle (10) des Stators (9) drehgelagert ist.
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) als Innenläufermotor ausgebildet ist, wobei das Zwischenzahnrad (6) auf einer Welle (19) des Rotors (12) aufsitzt, oder selbst den Rotor (12) bildet.
Getriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Erfassungsmittel (14) zum Erfassen des Anlaufens des angetriebenen Zahnrads (3) des Getriebes (1) oder eines Wechsels der Drehrichtung des angetriebenen Zahnrads (3) vorgesehen ist, wobei der Betrieb des Elektromotors (8) in Abhängigkeit des Erfassungsergebnisses steuerbar ist.
Verfahren zum Verstellen des Spiels in einem Getriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) nur im Moment des Anlaufens eines angetriebenen Zahnrads (3) des Getriebes (1) oder im Moment des Wechselns der Drehrichtung des angetriebenen Zahnrads (3) bestromt und nach der Verstellung stromlos geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlauf- oder Wechselmoment mittels eines Erfassungsmittels (14), das mit der Steuerungseinrichtung (13) des Elektromotors (8) kommuniziert, erfasst wird.