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Die Erfindung betrifft eine zum Ausgleich eines Achsversatzes zwischen zwei rotierenden Verbindungselementen geeignete Oldhamkupplung, bei welcher ein Oldhamelement gegenüber jedem Verbindungselementen in definierter Richtung begrenzt verschiebbar ist. Eines der Verbindungselemente ist als zweiflügeliges Antriebselement, das andere Verbindungselement als Ring ausgebildet.
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Eine solche Oldhamkupplung ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 049 072 A1 bekannt. Bei dieser Oldhamkupplung ist die Oldham-Scheibe, welche allgemein auch als Oldhamelement oder als Zwischenscheibe bezeichnet wird, aus Kunststoff gefertigt. Die Oldham-Scheibe wirkt über Bolzen mit dem ringförmigen Verbindungselement zusammen. Die bekannte Oldhamkupplung ist als Komponente eines Phasenverstellers einer Brennkraftmaschine vorgesehen.
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Eine weitere zur Verwendung in einem Phasenversteller einer Brennkraftmaschine vorgesehene Oldhamkupplung ist aus der
DE 10 2007 051 475 A1 bekannt. In diesem Fall ist ein Achsversatzausgleichselement, das heißt Oldhamelement, über vorzugsweise aus Kunststoff gefertigte Schnappbolzen mit einem rotierbaren Verbindungselement, nämlich einem Innenring eines Wälzlagers, gekoppelt.
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Eine Oldhamkupplung mit einem Oldhamelement aus Sintermetall, in diesem Fall als Zwischenkörper sowie als Kreuzschieber bezeichnet, ist beispielsweise aus der
DE 913 117 B bekannt. Das Sintermetall, aus welchem die Oldhamscheibe gefertigt ist, ist mit Schmierstoff getränkt, um günstige Gleiteigenschaften zu erzielen. Alternativ wird die Herstellung von Gleitflächen des Oldhamelementes aus Kunststoff, beispielsweise Kunstharz, empfohlen.
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Aus der
DE 24 04 766 C2 ist eine Kreuzscheibenkupplung, das heißt Oldhamkupplung, bekannt, welche ein mit Hilfe von Nadellagern gelagertes Oldhamelement aufweist. Die einzelnen Nadeln sind hierbei in Abschnitten von L-Profilschienen geführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Oldhamkupplung gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich eines günstigen Verhältnisses zwischen Fertigungsaufwand, Bauraumbedarf und Verschleißfestigkeit weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Oldhamkupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Oldhamkupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Die Oldhamkupplung weist in an sich bekanntem Grundaufbau zwei Verbindungselemente auf, welche zur Rotation um eine gemeinsame Rotationsachse oder um zwei zueinander parallele oder zumindest annähernd parallele Rotationsachsen vorgesehen sind. Während das erste Verbindungselement als zweiflügeliges, zur Verbindung mit einer Welle vorgesehenes Antriebselement, auch als Drive Element bezeichnet, ausgebildet ist, handelt es sich bei dem zweiten Verbindungselement um einen Ring, welcher nicht notwendigerweise mit einer Welle verbunden ist.
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Zum Ausgleich eines Achsversatzes zwischen den beiden Verbindungselementen sind zwei jeweils als Metallteile, vorzugsweise Umformteile, insbesondere Blechteile, ausgebildete Elemente vorgesehen, nämlich ein Oldhamelement sowie ein am zweiten Verbindungselement fixiertes Metall-Zwischenelement. Das Metall-Zwischenelement, welches als Blech-Zwischenelement ausgebildet ist, ist am zweiten Verbindungselement fixiert, wobei das Oldhamelement axial zwischen dem Blech-Zwischenelement und einer Stirnseite des zweiten Verbindungselementes abgestützt ist. Die Abstützung an der Stirnseite des zweiten Verbindungselementes kann hierbei entweder derart gestaltet sein, dass das Oldhamelement direkt die Stirnseite des zweiten Verbindungselementes kontaktiert oder unter Aufrechterhaltung eines Spaltes zum zweiten Verbindungselement ausschließlich durch das Metall-Zwischenelement in beiden Axialrichtungen abgestützt wird.
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In jedem Fall ist durch das Metall-Zwischenelement eine Linearführung gebildet, welche eine begrenzte Verschiebung des Oldhamelementes relativ zum zweiten Verbindungselement in einer definierten Radialrichtung ermöglicht. Die Begriffe „axial” und „radial” beziehen sich auf die Mittelachse des zweiten, als Ring ausgebildeten Verbindungselementes und damit auf eine der Rotationsachsen der Oldhamkupplung.
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Zwischen dem Metall-Zwischenelement und dem zweiten Verbindungselement ist eine Verbindung hergestellt, welche die Übertragung eines Drehmoments ermöglicht. In einer ersten Ausführungsform liegt diese Verbindung in Form eines Pressverbandes vor, wobei das Metall-Zwischenelement in Form eines Blech-Zwischenelement am Innenumfang des als Ring ausgebildeten zweiten Verbindungselementes gehalten ist. Eine besonders stark beanspruchbare Verbindung zwischen dem Blech-Zwischenelement und dem zweiten Verbindungselement ist herstellbar, indem mindestens eine der Oberflächen der genannten, miteinander zu verbindenden Komponenten vor dem Fügen strukturiert wird. Beispielsweise ist es möglich, am Innendurchmesser des zweiten Verbindungselementes eine Laserstrukturierung anzubringen. Das per Pressverband am – strukturierten oder unstrukturierten – Innenumfang des zweiten Verbindungselementes gehaltene Blech-Zwischenelement ist als Blechring ausgebildet, welcher einen zylindrischen Abschnitt und einen an diesen anschließenden Flanschbereich umfasst. Hierbei ragt der zylindrische Abschnitt, welcher durch den Pressverband in dem zweiten Verbindungselement fixiert ist, stirnseitig aus dem zweiten Verbindungselement heraus, so dass der Flanschbereich von der Stirnseite des zweiten Verbindungselementes beabstandet ist.
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Das Oldhamelement ist spielbehaftet zwischen dem Flanschbereich und der Stirnseite des zweiten Verbindungselementes unverlierbar gehalten. Der auch als Längspressverband bezeichnete Pressverband zwischen dem zweiten Verbindungselement und dem Metall-Zwischenelement stellt nicht nur eine Fixierung des auch als Kupplungsgehäuse bezeichneten Metall-Zwischenelementes, sondern auch eine Zentrierung dieses Elementes am zweiten Verbindungselement dar. Das zweite Verbindungselement ist nicht notwendigerweise mit einer Welle verbunden. Vielmehr handelt es sich bei dem zweiten Verbindungselement in bevorzugter Ausgestaltung um einen Lagerring, nämlich Innenring, eines Wälzlagers, beispielsweise Kugellagers. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist das als Lagerring gestaltete zweite Verbindungselement elliptisch geformt und bildet eine Komponente eines Wellgenerators eines Wellgetriebes.
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Der Flanschbereich des Metall-Zwischenelementes kann in einer zweiten Ausfürungsform mehrere sich in Radialrichtung erstreckende, das Oldhamelement in Axialrichtung sichernde Arme aufweisen. Mehrere dieser Arme können durch Segmente eines in Umfangsrichtung mehrfach unterbrochenen Flansches miteinander verbunden sein. Ebenso wie der Flansch beziehungsweise die einzelnen Flanschsegmente zählen auch die Arme zum Flanschbereich des Metall-Zwischenelementes. Vorzugsweise existieren genau zwei diametral am Umfang des Metall-Zwischenelementes liegende Bereiche, in welchen weder ein Flansch oder Flanschsegment noch ein Arm des Metall-Zwischenelementes angeordnet ist. Die beiden Flügel des als zweiflügeliges Antriebselement ausgebildeten ersten Verbindungselementes greifen hierbei in diese beiden Bereiche des Metall-Zwischenelementes ein, was zu einem besonders raumsparenden Aufbau der Oldhamkupplung in axialer Richtung beiträgt. Trotz der zweifachen Unterbrechung des Flansches am Metall-Zwischenelement ist dieses, auch bei Ausbildung als Blechteil, insbesondere aufgrund seiner an seinem gesamten Umfang gegebenen Verbindung mit dem Innenumfang des zweiten Verbindungselementes, ausreichend stabil, um seine drehmomentübertragende Funktion zu erfüllen.
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Die lineare Führung des Oldhamelements relativ zum Metall-Zwischenelement ist vorzugsweise realisiert mit Hilfe von mehreren Führungsflächen des Metall-Zwischenelementes. Die Führungsflächen können am Flansch, an Flanschsegmenten und/oder an Armen des Metall-Zwischenelementes angeformt sein. In jedem Fall erstrecken sich die Führungsflächen in Axialrichtung. Jede Führungsfläche liegt damit in einer zu den Rotationsachsen der Oldhamkupplung parallelen Ebene. Vorzugsweise liegen zwei Paare an Führungsflächen jeweils in einer gemeinsamen Ebene. Der Abstand zwischen den beiden Ebenen ist vorzugsweise größer als der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts des Blech-Zwischenelementes. Zwischen jeweils zwei in einer gemeinsamen Ebene liegenden Führungsflächen existiert ein Zwischenraum, welcher vorzugsweise in demjenigen Abschnitt des Umfangs des Metall Zwischenelements liegt, in dem der Flansch unterbrochen ist.
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Abschnitte des vorzugsweise als Metall-Umformteil, insbesondere als Blechteil, ausgebildeten Oldhamelementes greifen vorzugsweise radial von außen in die beiden Zwischenräume ein, die jeweils zwischen einem Paar an Führungsflächen des Metall-Zwischenelementes gebildet sind. Hierbei sind die genannten Abschnitte des Oldhamelementes zur Kontaktierung der beiden Arme des ersten Verbindungselementes vorgesehen und halten hierbei die Arme des ersten Verbindungselementes von den Führungsflächen beabstandet. Vorzugsweise sind die genannten Abschnitte des Oldhamelementes als Führungsnasen ausgebildet, welche von Gegenführungsflächen des Oldhamelementes, die auf den Führungsflächen des Blech-Zwischenelementes aufliegen, radial nach innen abgebogen sind. Die in axialer Richtung des im Wesentlichen ringförmigen Oldhamelementes gemessene Breite einer jeden Führungsnase ist hierbei vorzugsweise geringer als die in derselben Richtung gemessene Breite einer jeden Gegenführungsfläche. Analog zu den Führungsflächen des Metall-Zwischenelementes, welche paarweise in einer Ebene liegen, sind auch Paare an Gegenführungsflächen des Oldhamelementes jeweils in einer gemeinsamen Ebene angeordnet.
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Die in tangentialer Richtung des Oldhamelementes gemessene Breite einer Anordnung aus in einer gemeinsamen Ebene liegenden Gegenführungsflächen ist vorzugsweise geringer als die in der entsprechenden Richtung gemessene Breite eines Paares an Führungsflächen des Blech-Zwischenelementes. Zugleich ist die genannte Breite der Anordnung aus den Gegenführungsflächen vorzugsweise größer als ein Drittel, insbesondere größer als zwei Drittel, des Innendurchmessers des zweiten Verbindungselements. Indem keine Komponente der Oldhamkupplung radial über dem Außendurchmesser des zweiten Verbindungselementes hinausragt, ist mit den beschriebenen Dimensionierungen ein auch in radialer Richtung kompakter Aufbau der Oldhamkupplung bei günstigen Verhältnissen der Kraftübertragung gegeben. Um besonders lange Hebelarme zwischen dem Oldhamelement und dem Metall-Zwischenelement zu realisieren, ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung in jede Gegenführungsfläche des Oldhamelementes eine parallel zur Mittelachse dieses Elementes verlaufende Sicke eingeprägt, welche auf der gegenüberliegenden Oberfläche als Erhebung in der Gegenführungsfläche erscheint. Je nach Fertigungstechnologie kann auch eine linienförmige Erhebung in der Gegenführungsfläche erzeugt werden, ohne eine Strukturierung in Form einer Sicke zu erzeugen. Die linienförmige Erhebung ist in jedem Fall ist derart gestaltet, dass ein Linienkontakt zwischen der Gegenführungsfläche und der zugehörigen Führungsfläche des Metall-Zwischenelementes ausgebildet ist, wobei die Erhabung außermittig, nämlich auf der der Führungsnase abgewandten Seite, innerhalb der Gegenführungsfläche angeordnet ist. Im Gegensatz zu den insbesondere durch Sicken strukturierten Gegenführungsflächen sind die Führungsflächen des Blech-Zwischenelementes vorzugsweise komplett eben.
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Während durch das zweite Verbindungselement, das Metall-Zwischenelement und das Oldhamelement eine Baueinheit aus unverlierbar miteinander gekoppelten Komponenten gebildet ist, ist das erste Verbindungselement vorzugsweise ohne eine derartige Kopplung an die genannte Baueinheit angesetzt. Ohne die Funktion der Oldhamkupplung zu beeinträchtigen, ist das erste Verbindungselement gegenüber der Baueinheit signifikant axial verlagerbar. Das erste Verbindungselement ist beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung oder als Sinterteil herstellbar. Prinzipiell können Komponenten der Oldhamkupplung auch aus Kunststoff oder Leichtmetall, beispielsweise Aluminiumlegierungen, hergestellt werden. Typischerweise ist das erste Verbindungselement der Oldhamkupplung auf der Antriebsseite und das zweite Verbindungselement auf der Abtriebsseite angeordnet. Der Antrieb des ersten Verbindungselementes erfolgt beispielsweise durch einen Elektromotor.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zweigen:
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1 eine Oldhamkupplung in Explosionsdarstellung,
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2 und 3 die Oldhamkupplung in perspektivischen Darstellungen,
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4 bis 6 Draufsichten sowie eine Schnittdarstellung der Oldhamkupplung,
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7 ein als Lagerring ausgebildetes Verbindungselement der Oldhamkupplung,
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8 und 9 ein Blech-Zwischenelement der Oldhamkupplung,
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10 und 11 ein als ringförmiges Blechteil ausgebildetes Oldhamelement der Oldhamkupplung,
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12 die Oldhamkupplung in geschnittener perspektivischer Ansicht.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Oldhamkupplung ist dazu ausgebildet, einen Achsversatz zwischen einem rotierenden ersten Verbindungselement 2 und einem mit derselben Drehzahl rotierenden zweiten Verbindungselement 3 auszugleichen. Ebenso ermöglicht die Oldhamkupplung 1 den Ausgleich leichter Fluchtungsfehler zwischen den Rotationsachsen der Verbindungselemente 2, 3. Beim ersten Verbindungselement 2 handelt es sich um ein zweiflügeliges Antriebselement, ein sogenanntes Drive Element, welches fest mit einer Welle 4 verbunden ist. Die Welle 4 ist durch einen nicht dargestellten Elektromotor eines elektrischen Nockenwellenverstellers angetrieben. Im Unterschied zum ersten Verbindungselement 2 ist das zweite Verbindungselement 3 als Ring, nämlich Lagerring, ausgebildet und nicht mit einer Welle verbunden. Vielmehr ist das zweite Verbindungselement 3 eine Komponente eines mit 5 bezeichneten Wellgenerators des elektrischen Nockenwellenverstellers. Das zweite Verbindungselement 3 weist an seinem Außenumfang eine elliptisch geformte Laufbahn 6 für Wälzkörper 7, nämlich in einem Käfig 8 geführte Kugeln, auf. Die Kugeln 7 rollen am Innenumfang eines Außenrings 9 ab, welcher derartig dünnwandig und nachgiebig ist, dass er sich bei der Rotation des zweiten Verbindungselementes 3 entsprechend dessen elliptischer Form mit verformt.
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Zentrales Funktionselement der Oldhamkupplung 1 ist ein Oldhamelement 10, welches sowohl gegenüber dem ersten Verbindungselement 2 als auch gegenüber dem zweiten Verbindungselement 3 in Radialrichtung begrenzt verschiebbar ist. Das Oldhamelement 10 ist als ringförmiges Blechteil ausgebildet. Gleiches gilt für ein Metall-Zwischenelement 11, welches starr am zweiten Verbindungselement 3 gehalten ist und zusammen mit diesem für die gewünschte begrenzte Beweglichkeit des Oldhamelements 10 sorgt.
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Das Metall-Zwischenelement 11, das heißt Blech-Zwischenelement 11, weist einen zylindrischen Abschnitt 12 auf, welcher per Pressverband am Innenumfang des zweiten Verbindungselements 3 fixiert ist. Eine Laserstrukturierung 13 am Innenumfang des zweiten Verbindungselementes 3 ist in 7 angedeutet. Auf seiner dem zweiten Verbindungselement 3 abgewandten Stirnseite weist das Blech-Zwischenelement 11 einen Flanschbereich 14 auf. Ein an dem zylindrischen Abschnitt 12 angeformter Flansch 15 ist zweifach unterbrochen, so dass Flanschsegmente 16 gebildet sind. Von jedem Flanschsegment 16 gehen drei radial nach außen weisende Arme 17 aus. An die beiden äußeren Arme 17 jedes Flanschsegments 16 sind Führungsflächen 18 angeformt, welche parallel zur Mittelachse des Blech-Zwischenelementes 11, das heißt zur Rotationsachse der Oldhamkupplung 1, liegen und in Richtung zum ersten Verbindungselement 2 weisen. Jeweils zwei der Führungsflächen 18 liegen in einer gemeinsamen Ebene, wobei in der jeweiligen Ebene ein mit 19 bezeichneter Zwischenraum zwischen den beiden Führungsflächen 18 gebildet ist. Der Flansch 15 ist in denjenigen Umfangsbereichen unterbrochen, in denen sich die Zwischenräume 19 befinden.
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In die Zwischenräume 19 greift sowohl das erste Verbindungselement 2, nämlich radial von innen, als auch das Oldhamelement 10, nämlich radial von außen, ein. Das ebenso wie das Blech-Zwischenelement 11 im wesentlichen ringförmige Oldhamelement 10 weist einen Ringabschnitt 20 sowie einen mit diesem verbundenen, mit den Führungsflächen 18 des Blech-Zwischenelementes 11 zusammenwirkenden Führungsabschnitt 21 auf, womit eine Linearführung zwischen dem Oldhamelement 10 und dem Blech-Zwischenelement 11 gegeben ist. Zwei Paare an Gegenführungsflächen 22, welche Strukturen des Führungsabschnitts 21 des Oldhamelements 10 darstellen, sind analog zu den Führungsflächen 18 paarweise in zueinander parallelen Ebenen angeordnet, wobei die Gegenführungsflächen 22 radial außerhalb der Führungsflächen 18 liegen. Die einander zugewandten Seiten eines Paares an Gegenführungsflächen 22 sind in Form von radial nach innen weisenden Führungsnasen 23 abgebogen, wobei jeweils ein Paar an Führungsnasen 23 in einen Zwischenraum 19 eingreift und das erste Verbindungselement 2 zwischen den beiden Paaren an Führungsnasen 23 verschieblich geführt ist.
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Die Gegenführungsflächen 22 liegen nicht vollflächig auf den Führungsflächen 18 auf. Vielmehr ist jede Gegenführungsfläche 22 durch eine je nach Betrachtungsrichtung auch als Sicke erscheinende Erhebung 24 strukturiert, welche im äußeren, das heißt der Führungsnase 23 abgewandten Bereich der Gegenführungsfläche 22 parallel zur Rotationsachse der Oldhamkupplung 1 verläuft und für einen Linienkontakt zwischen Führungsfläche 18 und Gegenführungsfläche 22 sorgt. Die mit B bezeichnete Breite der Anordnung aus in einer Ebene liegenden Gegenführungsflächen 22, in tangentialer Richtung des Oldhamelements 1 gemessen, ist geringer als die in der selben Richtung gemessene Breite der Anordnung korrespondierender Führungsflächen 18, jedoch größer als zwei Drittel des Innendurchmessers Di des zweiten Verbindungselementes 3. Hierdurch sind im Vergleich zu den Gesamtabmessungen der Oldhamkupplung 1 große am Oldhamelement 10 sowie am Blech-Zwischenelement 11 wirkende Hebel realisiert. Die drehmomentübertragenden und zugleich relativ zueinander verschieblichen Elemente 2, 10, 11 der Oldhamkupplung 1 sind ausnahmslos aus Metall gefertigt, was im Vergleich zu Ausführungen mit Kunststoffkomponenten hinsichtlich des Verschleißes von Vorteil ist. Zugleich weist die Oldhamkupplung 1 durch die filigrane, jeweils einteilige Gestaltung des aus Blech gefertigten Oldhamelements 10 sowie des Blech-Zwischenelement 11 kompakte Abmessungen und geringe Massenträgheiten auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Oldhamkupplung
- 2
- erstes Verbindungselement, Drive Element
- 3
- zweites Verbindungselement, Innenring
- 4
- Welle
- 5
- Wellgenerator
- 6
- Laufbahn
- 7
- Wälzkörper
- 8
- Käfig
- 9
- Außenring
- 10
- Oldhamelement
- 11
- Metall-Zwischenelement
- 12
- zylindrischer Abschnitt
- 13
- Laserstrukturierung
- 14
- Flanschbereich
- 15
- Flansch
- 16
- Flanschsegment
- 17
- Arm
- 18
- Führungsfläche
- 19
- Zwischenraum
- 20
- Ringabschnitt
- 21
- Führungsabschnitt
- 22
- Gegenführungsfläche
- 23
- Führungsnase
- 24
- Erhebung
- B
- Breite
- Di
- Innendurchmesser
