DE102015212734A1

DE102015212734A1 - Wellgetriebe

Info

Publication number: DE102015212734A1
Application number: DE102015212734.6A
Authority: DE
Inventors: Mike Kohrs; Marco Hildebrand
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2017-01-12

Abstract

Ein insbesondere für einen elektrischen Nockenwellenversteller geeignetes Wellgetriebe umfasst drei Wellen (3, 4, 5), nämlich eine innenverzahnte Antriebswelle (3), eine ebenfalls innenverzahnte Abtriebswelle (4) und eine Verstellwelle (5), welche über einen Wellgenerator (7) mit außenverzahntem Wellring (10) mit den Innenverzahnungen (12, 13) von Antriebswelle (3) und Abtriebswelle (4) zusammenwirkt, wobei die Abtriebswelle (4) ein den Wellring (10) umgebendes, die Innenverzahnung (13) tragendes Ringelement (18) sowie ein mit diesem verbundenes, dem Wellring (10) in Axialrichtung benachbartes Flanschelement (17) aufweist. Axial zwischen dem Wellring (10) und dem Flanschelement (17) ist eine Anlaufscheibe (16) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein insbesondere für einen elektrischen Nockenwellenversteller geeignetes Wellgetriebe.
Aus der DE 10 2013 220 220 A1 ist eine Nockenwellenverstellvorrichtung bekannt, welche ein als Dreiwellengetriebe, nämlich Wellgetriebe, aufgebautes Verstellgetriebe aufweist. Das Verstellgetriebe umfasst eine Eingangswelle, die über einen Kettentrieb mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine koppelbar ist, sowie eine Ausgangswelle, die zur Kopplung mit einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Eine als dritte Welle vorgesehene, elektrisch antreibbare Verstellwelle dient der Verstellung der Phasenrelation zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle. Die nach der DE 10 2013 220 220 A1 gestaltete Nockenwellenverstellvorrichtung weist einen Getriebeinnenraum auf, in welchem sich ein Schmiermittelsumpf ausbildet.
Aus der DE 10 2008 039 009 A1 ist ein Nockenwellenversteller mit einem Dreiwellengetriebe bekannt, welcher ein Übersetzungsverhältnis von mehr als 1:120 aufweist. Dies wird mit Hilfe eines Vorübersetzungsgetriebes erreicht.
Die DE 100 38 354 A1 offenbart einen Nockenwellenversteller, in welchem ein Taumelscheibengetriebe als Dreiwellengetriebe fungiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickeltes, für einen elektrischen Nockenwellenversteller geeignetes Wellgetriebe anzugeben, welches sich durch ein besonders günstiges Verschleißverhalten bei gleichzeitig kompaktem und montagefreundlichem Aufbau auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieses insbesondere für die Verwendung in einem elektrischen Nockenwellenversteller konzipierte Wellgetriebe stellt ein Dreiwellengetriebe dar, welches eine innenverzahnte Antriebswelle, eine ebenfalls innenverzahnte Abtriebswelle, sowie eine Verstellwelle aufweist. Die Bezeichnungen Antriebs-, Abtriebs- und Verstellwelle haben lediglich funktionale Bedeutung und implizieren keine Aussage über die geometrische Gestaltung der genannten „Wellen“.
Die Verstellwelle wirkt über einen Wellgenerator mit außenverzahntem Wellring mit den Innenverzahnungen von Antriebswelle und Abtriebswelle zusammen, wobei die Abtriebswelle ein den Wellring umgebendes, die Innenverzahnung tragendes Ringelement sowie ein mit diesem verbundenes, dem Wellring in Axialrichtung benachbartes Flanschelement aufweist. Axial zwischen dem Wellring und dem Flanschelement ist eine Anlaufscheibe angeordnet. Ringelement und Flanschelement können lösbar oder einstückig miteinander verbunden sein.
Die Anlaufscheibe ist vorzugsweise aus Stahl, beispielsweise als Blechteil, gefertigt, welcher sich durch hohe Steife, hohe Verschleißfestigkeit und geringe Fertigungstoleranzen auszeichnet. Optional ist der Stahl beschichtet, beispielsweise mit einer NC-Beschichtung (Nanocomposite-Beschichtung). Hinsichtlich der Verwendung von NC-Beschichtungen im Stand der Technik wird beispielhaft auf die WO 2004/090361 A2 hingewiesen. Bei NC-Beschichtungen sind nanokristalline Körper in einer amorphen Matrix eingebettet. Alternativ oder zusätzlich zur Beschichtung der Anlaufscheibe kann auch mindestens ein mit dieser zusammenwirkendes Bauteil, nämlich der Wellring und/oder ein Teil der Abtriebswelle, eine Beschichtung, bei welcher es sich ebenfalls um eine NC-Beschichtung handeln kann, aufweisen. In allen Fällen können sich Beschichtungen durch reibungs- und/oder verschleißreduzierende Eigenschaften auszeichnen. Prinzipiell kommt als Beschichtungsmaterial, sofern die Reibungsreduzierung im Vordergrund steht, auch ein Buntmetall, insbesondere Kupfer, in Frage.
Grundsätzlich ist auch die Fertigung der Anlaufscheibe aus anderen Materialien, beispielsweise aus Keramik oder aus einem Kunststoff, möglich. In beiden Fällen wird im Vergleich zu Stahl Gewicht eingespart. Insbesondere im letztgenannten Fall kann in das Material der Anlaufscheibe auch ein Schmiermaterial, das heißt ein Festschmierstoff, eingebettet sein.
Die Dicke der Anlaufscheibe beträgt in bevorzugten Ausgestaltungen mindestens 0,03 mm und höchstens 5 mm, insbesondere 1 mm bis 3 mm. Im Vergleich zum Wellring weist die Anlaufscheibe vorzugsweise eine Dicke auf, welche von der Minimaldicke des Wellrings um nicht mehr als 50% nach unten oder oben, insbesondere um nicht mehr als 30%, abweicht. Der insgesamt elastisch nachgiebige Wellring kann entweder einteilig oder mehrteilig aufgebaut sein, wobei im Fall eines mehrteiligen Aufbaus lediglich das außen liegende Teil eine Verzahnung aufweist.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist am radial äußeren Rand der Anlaufscheibe zwischen dieser und dem Flanschelement ein ringförmig umlaufender Spalt gebildet. Hierbei kann der Spalt durch eine Ringnut im Übergangsbereich zwischen Flanschelement und Ringelement gebildet sein, während die Anlaufscheibe durchgehend die gleiche Dicke aufweist. Statt einer Strukturierung der Abtriebswelle in Form einer Ringnut oder zusätzlich zu einer solchen Strukturierung kann auch die Anlaufscheibe selbst strukturiert sein, um einen ringförmien Spalt im äußeren Bereich der Anlaufscheibe zu schaffen. In allen Fällen ist durch den Spalt ein Hohlraum für Schmiermittel, insbesondere Öl, bereitgestellt.
Die Zentrierung der Anlaufscheibe erfolgt in bevorzugter Ausgestaltung ausschließlich durch das Ringelement, welches dem Abtriebselement zuzurechnen ist. Hierbei kann die Anlaufscheibe frei drehbar zwischen dem Wellring und dem Flanschelement angeordnet sein. Alternativ kann die Anlaufscheibe und/oder das Flanschelement derart strukturiert sein, dass zumindest partiell in Radialrichtung verlaufende Ölleitkanäle zwischen der Anlaufscheibe und dem Flanschelement gebildet sind. Durch die Ölleitkanäle, im Extremfall einen einzigen Ölleitkanal, wird bei der Rotation der Wellen Schmiermittel zum ringförmig umlaufenden Spalt gefördert. Insbesondere außerhalb des vom Wellring kontaktierten Bereichs kann die Anlaufscheibe Ausnehmungen, Durchbrüche oder Einprägungen aufweisen. Hierdurch wird nicht nur der Durchlass von Öl ermöglicht, sondern auch Gewicht eingespart.
Zusätzlich zur Anlaufscheibe, welche axial zwischen dem Wellring und dem Flanschelement angeordnet ist, kann eine zweite Anlaufscheibe vorgesehen sein, welche – auf der gegenüberliegenden Seite des Wellrings – axial zwischen dem Wellring und einem Frontdeckel des Wellgetriebes angeordnet ist.
Unabhängig von der geometrischen Gestaltung der mindestens einen Anlaufscheibe sorgt diese dafür, dass der Wellring von den Außenbereichen – in Axialrichtung betrachtet – der Innenverzahnung des Ringelementes beabstandet bleibt. Damit werden Verzahnungsausläufe geschont.
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
1 eine erste Bauform eines elektrischen Nockenwellenverstellers mit einem Wellgetriebe als Dreiwellengetriebe,
2 ausschnittsweise das Wellgetriebe des Nockenwellenverstellers nach 1,
3 in einer Ansicht analog 2 eine alternative Gestaltung eines Wellgetriebes für einen Nockenwellenversteller.
Die folgende Beschreibung eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Nockenwellenverstellers bezieht sich, soweit nicht anders angegeben, sowohl auf das Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 als auch auf das Ausführungsbeispiel nach 3. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion eines elektrischen Nockenwellenverstellers mit elektrisch betätigtem Verstellmechanismus wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Der in 1 schematisiert dargestellte Nockenwellenversteller weist ein Dreiwellengetriebe, nämlich ein Wellgetriebe 2, als Verstellmechanismus auf. Das Wellgetriebe 2 prinzipiell bekannten Grundaufbaus umfasst drei Wellen 3, 4, 5, nämlich eine Antriebswelle 3, eine Abtriebswelle 4, sowie eine Verstellwelle 5. Ein Kettenrad 6, welches Teil der Antriebswelle 4 ist, wird über eine nicht dargestellte Kette von einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, nämlich eines Otto- oder Dieselmotors, angetrieben. Die Antriebswelle 3 ist ebenso wie die Abtriebswelle 4, welche zur Verbindung mit einer Nockenwelle vorgesehen ist, als hohle Komponente des Wellgetriebes 2 gestaltet. In einem von der Antriebswelle 3 und der Abtriebswelle 4 begrenzten Innenraum des Wellgetriebes befindet sich ein durch die Verstellwelle 5 betätigter Wellgenerator 7.
Der Wellgenerator 7 umfasst einen drehfest mit der Verstellwelle 5 verbundenen, elliptischen Lagerinnenring 8, auf welchem Kugeln 9 als Wälzkörper abrollen. Die Kugeln 9 rollen außenseitig auf einem nachgiebigen Wellring 10 ab, dessen Form sich der Form des elliptischen Lagerinnenrings 8 anpasst. Auf der Außenseite des Wellrings 10 weist dieser eine Verzahnung 11 auf. Diese Verzahnung 11 wirkt auf folgende Weise sowohl mit der Antriebswelle 3 als auch mit der Abtriebswelle 4 zusammen:
Durch die in jeder Phase des Betriebs des Nockenwellenverstellers 1 nicht kreisrunde Form des Wellrings 10 greift dessen Verzahnung 11 nur an zwei, diametral gegenüberliegenden Stellen in eine mit 12 bezeichnete Innenverzahnung der Antriebswelle 3 ein. Gleiches gilt für die Zusammenwirkung des Wellrings 10 mit einer mit 13 bezeichnete Innenverzahnung der Abtriebswelle 4. Die beiden Innenverzahnungen 12, 13 liegen nebeneinander und unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Zähnezahl geringfügig, nämlich um die Zahl zwei, voneinander. Dreht sich die von einem Elektromotor 14 über eine Ausgleichskupplung 15, nämlich Oldham-Kupplung, angetriebene Verstellwelle 5 mit der Drehzahl der Antriebswelle 3, so dreht sich auch die Abtriebswelle 4 mit dieser Drehzahl. Erst wenn die Drehzahl der Verstellwelle 5 von der Drehzahl der Antriebswelle 3 abweicht, tritt das Wellgetriebe 2 als ein Stellgetriebe mit hoher Übersetzung in Funktion. Bei diesem Verstellvorgang tritt auch eine im Vergleich zur Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle 3 geringfügige Verdrehung zwischen dem Wellring 10 und der Abtriebswelle 4 auf.
Um selbst geringfügigen Verschleiß bei der beschreiebenen Verdrehung zwischen dem Wellring 10 und der Abtriebswelle 4 weiter zu minimieren, ist zwischen dem Wellring 10 und der Abtriebswelle 4 eine Anlaufscheibe 16 angeordnet. Die Anlaufscheibe 16 kontaktiert hierbei einerseits eine Stirnseite des Wellrings 10 und andererseits ein mit 17 bezeichnetes Flanschelement der Abtriebswelle 4. In nicht dargestellter Weise ist optional auf der der Anlaufscheibe 16 gegenüberliegenden Stirnseite des Wellrings 10 eine weitere Anlaufscheibe angeordnet. Diese zusätzliche Anlaufscheibe kann hinsichtlich ihrer Geometrie und Beschaffenheit der Anlaufscheibe 16 entsprechen und befindet sich axial zwischen dem Wellring 10 und einem Frontdeckel des Wellgetriebes 2 auf dessen dem Elektromotor 14 zugewandter Seite.
Das Flanschelement 17 ist fest verbunden mit einem Ringelement 18, welches ein weiteres Element der Abtriebswelle 4 darstellt und die Innenverzahnung 13 aufweist. In den Ausführungsbeispielen ist die Anlaufscheibe 16 aus Stahl gefertigt. Die mit d_A bezeichnete Dicke der Anlaufscheibe 16 beträgt zwischen 1 mm und 3 mm und weicht von der mit d_W bezeichneten minimalen Dicke des Wellrings 10 um nicht mehr als 30% ab. Die minimalen Dicke d_W des Wellrings 10 wird hierbei zwischen dessen glatter Innenwandung und den am tiefsten eingeformten Bereichen der Verzahnung 11 gemessen.
Im radial äußersten Bereich der Anlaufscheibe 16 ist auf deren dem Flanschelement 17 zugewandten Seite ein ringförmig umlaufender Spalt 19 gebildet, welcher als Schmierstoffreservoir dient. Der ringförmige Spalt 19 ist gebildet durch eine Ringnut 20, welche im Übergangsbereich zwischen dem Flanschelement 17 und dem Ringelement 18 ausgebildet ist. Hierbei weist das Flanschelement einen nach außen offenen Absatz auf, der durch das hohlzylindrische Ringelement 18 zur Ringnut 20 komplettiert wird.
Im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 ist die Anlaufscheibe 16 zu beiden Seiten hin, das heißt sowohl zum Wellring 10 hin als auch zum Flanschelement 17 hin, glatt. Die Anlaufscheibe 16 ist hierbei ausschließlich durch das Ringelement 18 zentriert und sowohl gegenüber dem Wellring 10 als auch gegenüber dem Flanschelement 17 frei drehbar.
Im Unterschied hierzu ist im Ausführungsbeispiel nach 3 die dem Flanschelement 17 zugewandte Seite, auch als Rückseite bezeichnet, der Anlaufscheibe 16 durch eingeprägte Ölleitkanäle 21 konturiert. Radial von innen nach außen fließendes Öl ist in 3 gestrichelt angedeutet. Das Öl erreicht durch die Ölleitkanäle auch die Verzahnungen 11, 12, 13. Die Ölleitkanäle 21 wirken mit Gegenkonturen am Flanschelement 17 zusammen, so dass in diesem Fall die Anlaufscheibe 16 gegenüber der Abtriebswelle 4 verdrehgesichert ist. Über die Ölführung hinaus haben die Ölleitkanäle 21 auch die Funktion, das Schmiermittel, das heißt Öl, des Wellgetriebes 2 zu filtern.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwellenversteller
2: Wellgetriebe
3: Antriebswelle
4: Abtriebswelle
5: Verstellwelle
6: Kettenrad
7: Wellgenerator
8: Lagerinnenring
9: Kugel
10: Wellring
11: Verzahnung
12: Innenverzahnung der Antriebswelle
13: Innenverzahnung der Abtriebswelle
14: Elektromotor
15: Ausgleichskupplung
16: Anlaufscheibe
17: Flanschelement
18: Ringelement
19: ringförmig umlaufender Spalt
20: Ringnut
21: Ölleitkanal
d_A: Dicke der Anlaufscheibe
d_W: minimale Dicke des Wellrings

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013220220 A1 [0002, 0002]
DE 102008039009 A1 [0003]
DE 10038354 A1 [0004]
WO 2004/090361 A2 [0008]

Claims

Wellgetriebe, mit drei Wellen (3, 4, 5), nämlich einer innenverzahnten Antriebswelle (3), einer innenverzahnten Abtriebswelle (4) und einer Verstellwelle (5), welche über einen Wellgenerator (7) mit außenverzahntem Wellring (10) mit den Innenverzahnungen (12, 13) von Antriebswelle (3) und Abtriebswelle (4) zusammenwirkt, wobei die Abtriebswelle (4) ein den Wellring (10) umgebendes, die Innenverzahnung (13) tragendes Ringelement (18) sowie ein mit diesem verbundenes, dem Wellring (10) in Axialrichtung benachbartes Flanschelement (17) aufweist, gekennzeichnet durch eine axial zwischen dem Wellring (10) und dem Flanschelement (17) angeordnete Anlaufscheibe (16).
Wellgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am radial äußeren Rand der Anlaufscheibe (16) zwischen dieser und dem Flanschelement (17) ein ringförmig umlaufender Spalt (19) gebildet ist.
Wellgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (19) durch eine Ringnut (20) im Übergangsbereich zwischen Flanschelement (17) und Ringelement (18) gebildet ist.
Wellgetriebe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein in Radialrichtung verlaufender Ölleitkanal (21) zwischen der Anlaufscheibe (16) und dem Flanschelement (17) ausgebildet ist.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufscheibe (16) sowohl gegenüber dem Wellring (10) als auch gegenüber der Abtriebswelle (4) frei drehbar ist.
Wellgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufscheibe (16) durch das Ringelement (18) zentriert ist.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufscheibe (16) eine Dicke (d_A) aufweist, welche von der Minimaldicke (d_W) des Wellrings (10) um nicht mehr als 50% abweicht.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufscheibe (16) als Stahlscheibe ausgebildet ist.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufscheibe (16) eine Beschichtung aufweist.
Wellgetriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Teile Wellring (10) und Flanschelement (17) eine Beschichtung, insbesondere eine NC-Beschichtung, aufweist.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Anlaufscheibe (16) an beiden Stirnseiten des Wellrings (10) angeordnet ist.