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Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe, welches einen Wellgenerator sowie ein durch den Wellgenerator verformbares flexibles außenverzahntes Getriebebauteil, insbesondere in Form eines Flexrings, aufweist, wobei das flexible, außenverzahnte Getriebebauteil mit mindestens einem innenverzahnten, typischerweise in sich starren Getriebebauteil kämmt.
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Ein derartiges Wellgetriebe ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 202 060 A1 bekannt. Es handelt sich hierbei um eine Komponente eines elektrischen Nockenwellenverstellers. Eine Verstellwelle, welche einen Wellgenerator des Wellgetriebes antreibt, weist mehrere Vorzugsstellungen auf.
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Ein weiterer elektrischer Nockenwellenversteller, welcher ebenfalls mit einem Wellgetriebe arbeitet, ist zum Beispiel in der
DE 10 2007 049 072 A1 offenbart. Das Wellgetriebe ist über eine Ausgleichkupplung, nämlich eine Oldham-Kupplung, durch einen Verstellmotor betätigbar.
DE 101 22 660 A1 zeigt ein Wellgetriebe mit einer Flexmanschette, die nicht in sich starr ist, sondern teilweise durch die Schwerkraft bedingt durchhängt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickeltes Wellgetriebe anzugeben, welches sich insbesondere für die Verwendung in einem elektrischen Nockenwellenversteller sowie in einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine eignet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieses Wellgetriebe weist in an sich bekanntem Grundaufbau einen Wellgenerator sowie ein durch den Wellgenerator verformbares flexibles, außenverzahntes Getriebebauteil, bei welchem es sich um einen Flexring oder einen Flextopf handeln kann, auf. In jedem Fall kämmt das flexible, außenverzahnte Getriebebauteil mit mindestens einem innenverzahnten Getriebebauteil, welches ebenfalls eine Ringform oder eine Topfform aufweisen kann. Vom Stand der Technik unterscheidet sich das flexible, außenverzahnte Getriebebauteil dadurch, dass es – bezogen auf seinen mechanisch nicht belasteten Zustand – eine unrunde Grundform aufweist. Im Gegensatz zu Flexringen oder Flextöpfen, welche im mechanisch unbelasteten Zustand kreisrund sind, unterliegt die Federenergie, welche im flexiblen, außenverzahnten Getriebebauteil des erfindungsgemäßen Wellgetriebe gespeichert ist, beim Betrieb des Wellgenerators permanenten Schwankungen. Diese Schwankungen der gespeicherten Federenergie sind geeignet, wie noch näher erläutert werden wird, die Regelbarkeit des Wellgetriebes zu verbessern.
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Dadurch dass das flexible, außenverzahnte Getriebebauteil eine elliptische Grundform aufweist, weist die in dem Getriebebauteil gespeicherte Federenergie bei einer vollen Umdrehung des Wellgenerators zwei Minima und zwei Maxima auf. Solange keine äußere Kraft auf das flexible, außenverzahnte Getriebebauteil einwirkt, weist dieses somit eine Form auf, welche der Form eines starren, elliptischen Getriebebauteils des Wellgenerators ähnelt. Bei dem starren, elliptischen Bauteil kann es sich insbesondere um einen Innenring eines Wälzlagers, insbesondere Kugellagers, handeln. Das Verhältnis zwischen den Halbachsen des starren elliptischen Bauteils des Wellgenerators ist nicht notwendigerweise mit dem Verhältnis der Halbachsen des flexiblen, ebenfalls elliptischen Getriebebauteils identisch.
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Vorzugsweise ist das flexible elliptische Getriebebauteil derart gestaltet, dass es bei der Rotation des Wellgenerators stets in einem mechanisch gespannten Zustand bleibt, wobei der Grad der mechanischen Spannung und damit der gespeicherten Federenergie von der Winkelstellung einer Verstellwelle, die den Wellgenerator antreibt, abhängt. Die im flexiblen, außenverzahnten Getriebebauteil gespeicherte Federenergie ist minimal, wenn die große Halbachse dieses Getriebebauteils, bezogen auf die Form des Getriebebauteils im nicht eingebauten, das heißt nicht durch das Wellgetriebe verformten Zustand, mit der großen Halbachse des starren elliptischen Bauteils des Wellgetriebes zusammenfällt. In analoger Weise ist die im flexiblen außenverzahnten Getriebebauteil gespeicherte Federenergie maximal, wenn dessen große Halbachse in Richtung der kleinen Halbachse des starren elliptischen Bauteils des Wellgenerators ausgerichtet ist. Sind die großen Halbachsen und damit auch die kleinen Halbachsen des flexiblen außenverzahnten Getriebebauteils, insbesondere Flexringes, einerseits und des starren elliptischen Bauteils, insbesondere Innenrings, des Wellgenerators andererseits identisch ausgerichtet, so liegt ein stabiles Gleichgewicht vor. Im um 90° verdrehten Zustand des Wellgenerators, bei welchem jeweils eine große Halbachse und eine kleine Halbachse der beiden genannten Bauteile zusammenfallen, ist dagegen ein labiles Gleichgewicht gegeben.
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Die Übersetzung des Wellgetriebes ist vorzugsweise derart gewählt, dass ein Übergang zwischen einem stabilen Gleichgewichtszustand zum nächsten stabilen Gleichgewichtszustand innerhalb einer geforderten Regelgüte, angegeben beispielsweise in Grad oder in Winkelminuten, liegt. Das Übersetzungsverhältnis des Wellgetriebes ergibt sich aus den voneinander abweichenden Zähnezahlen der Außenverzahnung des flexiblen Getriebebauteils sowie der Innenverzahnung des damit kämmenden, in sich starren Getriebebauteils. Typischerweise ist die Zähnezahl der Außenverzahnung um zwei geringer als die Zähnezahl der damit kämmenden Innenverzahnung.
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Beispielsweise weist das flexible außenverzahnte Getriebebauteil 180 Zähne auf, während das starre innenverzahnte Getriebebauteil 182 Zähne aufweist. Bei einer vollen Umdrehung des Wellgenerators wird das starre, innenverzahnte Getriebebauteil um zwei Zähne verdreht, was einem Übersetzungsverhältnis von 90:1 entspricht. Da der Winkelabstand zwischen zwei Zähnen in diesem Fall zwei Grad beträgt, ist die Verdrehung um zwei Zähne mit einer Verdrehung um 4° gleichbedeutend. Eine 90°-Verstellung der Verstellwelle des Wellgenerators geht somit mit einer Verstellung des starren innenverzahnten Getriebebauteils um 1° einher. Das innenverzahnte, starre Getriebebauteil ist mit einem Abtriebselement des Wellgetriebes identisch oder fest verbunden. Ist dieses Abtriebselement mit einer Genauigkeit von ±1° einzustellen, so ist bei einem gegebenen Übersetzungsverhältnis des Wellgetriebes von 90:1 ein stabiler Zustand innerhalb eines Intervalls von ±90° der Verstellwelle des Wellgetriebes anzufahren. Mindestens ein solcher stabiler Zustand existiert innerhalb dieses Intervalls von ±90°, bezogen auf die Verstellwelle des Wellgenerators und damit auch auf den Umfang des flexiblen außenverzahnten Getriebebauteils.
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Ist eine Einstellgenauigkeit des Abtriebselements des Wellgetriebes von ±1,5° gefordert, so ist eine Übersetzung des Wellgetriebes von 60:1 ausreichend, um jede gewünschte Winkelstellung des Abtriebselementes mit einem Minimum der im flexiblen Getriebebauteil gespeicherten Federenergie zu realisieren.
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Allgemein ist folgender Zusammenhang zwischen dem mit 1 bezeichneten Übersetzungsverhältnis des Wellgetriebes und der in Grad ausgedrückten geforderten Regelgüte, bezogen auf die Winkelstellung der Abtriebswelle gegeben: I ≥ 90/r
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Die Energieminima des flexiblen Getriebebauteils korrespondieren mit Vorzugspositionen des Wellgetriebes, welches vorzugsweise als Stellgetriebe zum Einsatz kommt. Die Federvorspannung des unrunden, flexiblen Getriebebauteils ist in vorteilhafter Ausgestaltung stark genug, um ein selbst tätiges Anfahren der Vorzugspositionen, bildlich auch als Schnappen bezeichnet, zu bewirken. Im Vergleich zu herkömmlichen Wellgetrieben können die Vorzugspositionen nicht nur präzise, sondern auch mit besonders geringem Energieaufwand, insbesondere ohne Energieaufwand, gehalten werden.
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Die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Federenergie, welche beim Betrieb des Wellgetriebes in dem flexiblen außenverzahnten Getriebebauteil gespeichert ist, ist in bevorzugter Ausgestaltung größer als die minimale in dem flexiblen Getriebebauteil gespeicherte Federenergie. Das Wellgetriebe ist vorzugsweise, wie dies auch beim herkömmlichen Wellgetrieben der Fall ist, als selbsthemmendes Getriebe ausgelegt. Dies bedeutet, dass keine Verstellung der Verstellwelle des Wellgenerators durch Verdrehung des Abtriebselementes des Wellgetriebes möglich ist. Hierbei wird gedanklich davon ausgegangen, dass eine weitere, typischerweise gehäusefeste Welle des grundsätzlich als Drei-Wellen-Getriebe konzipierten Wellgetriebes festgehalten wird. Beim tatsächlichen Betrieb des Wellgetriebes rotieren entweder zwei Wellen, nämlich die Verstellwelle, welche den Wellgenerator betätigt, und die Abtriebswelle, oder alle drei Wellen, wobei in diesem Fall die Abtriebswelle mit der Drehzahl der weiteren Welle rotiert, solange auch die Verstellwelle mit dieser Drehzahl rotiert. Der erstgenannte Fall (genau zwei rotierende Wellen) liegt beispielsweise in einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors vor, während der zweite Fall insbesondere in einem elektrischen Nockenwellenversteller gegeben ist.
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Allgemein ist das Wellgetriebe geeignet, eine Abtriebswelle mit geringem Aufwand, was ein in eine Verstellwelle einzuleitendes Drehmoment betrifft, zu fixieren. Im Folgenden sind Effekte der Selbsthemmung der Einfachheit halber nicht berücksichtigt:
Es wird von einem Übersetzungsverhältnis des Wellgetriebes von 50:1 ausgegangen. Die Abtriebswelle sei mit einem Haltemoment von 50 Nm zu fixieren. Eine Unrundheit des flexiblen außenverzahnten Getriebebauteils, die für ein Schnappmoment von mindestens 1 Nm sorgt, ist in diesem Fall ausreichend für eine zuverlässige Fixierung der Abtriebswelle. Ein Verstellmotor braucht kein Drehmoment zu erzeugen. Tatsächlich ist aufgrund der gegebenen Selbsthemmung des Wellgetriebes sogar ein geringeres Schnappmoment des flexiblen außenverzahnten Getriebebauteils ausreichend.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 ein Wellgetriebe in einer symbolisierten Schnittdarstellung,
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2 Zustände eines flexiblen Getriebebauteils des Wellgetriebes,
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3 in einem Diagramm Zustandsveränderungen des flexiblen Getriebebauteils.
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In 1 ist der Aufbau eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Wellgetriebes skizziert, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird.
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Das Wellgetriebe 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das mit einem Antriebsrad 3 fest verbunden ist. Das Antriebsrad 3 ist beispielsweise mittels eines Zugmittels oder eines Zahnrads antreibbar. Mit dem Gehäuse 2 ist weiter ein Antriebszahnrad 4 als Getriebebauteil fest verbunden, welches innenverzahnt ist. Neben dem Antriebszahnrad 4 befindet sich ein Abtriebsbauteil 5 als weiteres Getriebebauteil, welches ebenfalls innenverzahnt ist und über eine Abtriebsscheibe 6 starr mit einer Abtriebswelle 7 gekoppelt ist.
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Radial innerhalb der beiden innenverzahnten Getriebebauteile 4, 5 befindet sich ein Wellgenerator 8, welcher mittels einer Verstellwelle 9 angetrieben wird. Die Verstellwelle 9 ist über eine Ausgleichskupplung 10 mit einem nicht dargestellten Verstellmotor, insbesondere Elektromotor, gekoppelt. Ein Innenring 11 des Wellgenerators 8 weist eine starre, elliptische Form auf. Ein nachgiebiger Außenring 12 des Wellgenerators 8 passt sich bei der Rotation der Verstellwelle 9 permanent der elliptischen Form des Innenrings 11 an, wobei zwischen dem Innenring 11 und dem Außenring 12 Kugeln 13 als Wälzkörper abrollen.
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Unmittelbar um den Außenring 12 ist ein flexibles, außenverzahntes Getriebeelement 14, nämlich ein Flexring, gelegt. Bei der Rotation der Verstellwelle 9 des Wellgenerators 8 nimmt der Flexring 14 permanent die Form des Außenrings 12 an. Dabei wird die Außenverzahnung des Flexrings 14 an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen in Eingriff mit den Innenverzahnung der Getriebebauteile 4, 5 gebracht. Durch geringfügig unterschiedliche Zähnezahlen der genannten Getriebebauteile 4, 5, 14 ist ein hohes Übersetzungsverhältnis des Wellgetriebes 1, im vorliegenden Fall ein Übersetzungsverhältnis von 90:1, gegeben.
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In 2 ist die Gestalt des Flexrings 14 im mechanisch nicht belasteten, das heißt nicht in das Wellgetriebe 1 eingebauten Zustand skizziert. Entlang der großen Halbachsen ist eine erste Außenabmessung d1, entlang der kleinen Halbachsen eine zweite Außenabmessung d2 gegeben. Den Flexring 14 an den entsprechenden Stellen tangierende Kreise sind als Außenkreis Ka und als Innenkreis Ki bezeichnet. Die mit x0 bezeichnete Differenz der Halbachsen des Flexrings 14 entspricht der Differenz zwischen dem Radius des Außenkreises Ka und dem Radius des Innenkreises Ki und wird auch als Rundheitsabweichung bezeichnet.
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In 3 ist mit α der Winkel der Verstellwelle 9 und mit β der Winkel der Abtriebswelle 7 bezeichnet. Mit α0 ist ein Sollwinkel der Verstellwelle 9 und mit β0 ein Sollwinkel der Abtriebswelle 7 bezeichnet. Bei der in Joule angegebenen Energie E handelt es sich um die im Flexring 14 gespeicherte, von der Winkelstellung der Verstellwelle 9 abhängige Federenergie. Wie aus 3 hervorgeht, schwankt die im Flexring 14 gespeicherte Federenergie bei der Rotation der Verstellwelle 9 sinusförmig zwischen einem Minimalwert E(dw_g – d1) und einem Maximalwert E(dw_g – d2). Die minimale Energie E(dw_g – d1) ist dann im Flexring 14 gespeichert, wenn die große Halbachse des elliptischen Innenrings 11 parallel zur großen Halbachse des Flexrings 14, bezogen auf dessen in 2 skizzierten Zustand, ausgerichtet ist.
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Zustände minimaler Energie sind mit A1, A2, ein Zustand maximaler Energie mit B bezeichnet. Im Zustand B ist der Flexring 14 maximal im Vergleich zu seiner mechanisch nicht belasteten Gestalt verformt. Der Übergang vom Zustand B in einen der energieärmeren Zustände A1, A2 ist gleichbedeutend mit einer Verstellung der Verstellwelle 9 um ±90° sowie mit einer Verstellung der Abtriebswelle 7 um ±1°. Bei einer geforderten Einstellgenauigkeit, das heißt Regelgüte, der Abtriebswelle 7 von ±1° kann somit stets ein Zustand minimaler Energie A1, A2 angefahren werden, wobei der Übergang allein durch das Schnappmoment des Flexrings 14 möglich ist. In dem Zustand A1, A2 kann das Wellgetriebe 1 mit geringem Energieaufwand, selbst ohne das Aufbringen eines Drehmoments auf die Verstellwelle 9, gehalten werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Antriebselement, Gehäuse
- 3
- Antriebsrad
- 4
- Antriebszahnrad, Getriebebauteil
- 5
- Abtriebszahnrad, Getriebebauteil
- 6
- Abtriebsscheibe
- 7
- Abtriebswelle
- 8
- Wellgenerator
- 9
- Verstellwelle
- 10
- Ausgleichskupplung
- 11
- Innenring
- 12
- Außenring
- 13
- Wälzkörper
- 14
- flexibles, außenverzahntes Getriebeelement, Flexring
- α
- Winkel der Verstellwelle
- β
- Winkel der Abtriebswelle
- α0
- Sollwinkel der Verstellwelle
- β0
- Sollwinkel der Abtriebswelle
- A1, A2
- Zustände minimaler Energie
- B
- Zustand maximaler Energie
- d1, d2
- Außenabmessungen
- E
- gespeicherte Federenergie
- E(dw_g – d1)
- Minimalwert der Energie
- E(dw_g – d2)
- Maximalwert der Energie
- I
- Übersetzungsverhältnis des Wellgetriebes
- Ka
- Außenkreis
- Ki
- Innenkreis
- r
- Regelgüte (in Grad)
- x0
- Rundheitsabweichung, Differenz der Halbachsen
