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Die Erfindung betrifft ein insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine geeignetes Wellgetriebe, welches ein an einem Gehäuse drehfest angebundenes Hohlrad aufweist, wobei eine Innenverzahnung des Hohlrades mit einer Außenverzahnung eines flexiblen, durch einen Wellgenerator verformbaren Getriebeelementes kämmt.
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Wellgetriebe, die in jedem Fall ein elastisches Zahnrad aufweisen, sind zum Beispiel aus der
EP 0 514 829 B1 sowie aus der
EP 0 741 256 B1 bekannt. Derartige Wellgetriebe sollen als hochübersetzte Getriebe zum Einsatz in Robotern geeignet sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wellgetriebe gegenüber dem Stand der Technik insbesondere hinsichtlich eines besonders günstigen Verhältnisses zwischen der Verformbarkeit eines elastischen, verzahnten Getriebeelementes und der Dauerhaltbarkeit des Getriebes weiterzuentwickeln, wobei insgesamt ein kompakter Aufbau sowie eine besondere Eignung für Vorrichtungen zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses von Hubkolbenmotoren gegeben sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Wellgetriebe weist in an sich bekanntem Grundaufbau ein innenverzahntes Hohlrad auf, welches drehfest relativ zu einem Gehäuse angeordnet ist. Hierbei kann das Gehäuse entweder Teil des Wellgetriebes oder Teil einer Umgebungskonstruktion sein. Im letztgenannten Fall kann es sich bei dem Gehäuse insbesondere um einen Motorblock einer Brennkraftmaschine oder um ein fest mit dem Motorblock verbundenes Teil handeln. In jedem Fall kämmt die Innenverzahnung des Hohlrades mit der Außenverzahnung eines flexiblen Getriebeelementes, welches beim Betrieb des Wellgetriebes durch einen Wellgenerator laufend verformt wird. Der Wellgenerator stellt hierbei eine Komponente des Wellgetriebes dar und arbeitet vorzugsweise mit einem Wälzlager, insbesondere einem Kugellager. Alternativ kann das Wellgetriebe einen Wellgenerator mit einem Lager sonstiger Bauart, beispielsweise einem Nadellager, Rollenlager oder Gleitlager, umfassen. Erfindungsgemäß ist das Hohlrad nicht starr, sondern mittels eines zwar in Umfangrichtung steifen, aber in Radial- sowie in Axialrichtung nachgiebigen, ringförmigen Ausgleichselementes am Gehäuse befestigt.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass mindestens ein Teil eines Wellgetriebes bauartbedingt permanent Verformungen aufnehmen und zugleich Kräfte und Drehmomente weiterleiten muss. Bei einem solchen Teil handelt es sich beispielsweise um einen Flexring oder einen Flextopf. Dies ist auch bei dem erfindungsgemäßen Wellgetriebe der Fall. Im Unterschied zu im Stand der Technik, insbesondere in den genannten Dokumenten
EP 0 514 829 B1 und
EP 0 741 256 B1 , beschriebenen Ansätzen, die Flexibilität des nachgiebigen, verzahnten Getriebeelementes durch dessen Formgebung zu erhöhen, wird beim anmeldungsgemäßen Wellgetriebe jedoch ein anderer Weg beschritten, indem ein in sich starres Getriebeelement, nämlich das innenverzahnte Hohlrad, weich im oder am Gehäuse aufgehängt wird.
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Die weiche Aufhängung des Hohlrades hat hierbei nicht isotope Eigenschaften: Die Steifigkeit der Aufhängung ist in Umfangsrichtung des Hohlrades größer als in Axialrichtung sowie in Radialrichtung des Hohlrades. Dies bedeutet, dass eine am Außenumfang des Hohlrades angreifende Kraft entweder zu keiner oder lediglich zu einer geringfügigen Verdrehung des Hohlrades gegenüber dem Gehäuse führt. In jedem Fall ist die Verlagerung eines Punktes am Außenumfang des Hohlrades, welche durch eine tangential angreifende Kraft bestimmter Größe bewirkt wird, wesentlich geringer, beispielsweise um den Faktor zwei, um den Faktor fünf, oder um den Faktor zehn geringer, als eine Verlagerung desselben Punktes in axialer Richtung oder in radialer Richtung des Hohlrades, wenn eine Kraft desselben Betrages in Axialrichtung beziehungsweise in Radialrichtung des Hohlrades und damit des gesamten Wellgetriebes angreift.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass gerade die derart anisotrop weiche Aufhängung des Hohlrades im oder am Gehäuse für eine besondere Schonung des flexiblen Verzahnungsbauteils, das heißt des Flexrings oder Flextopfes, bei uneingeschränkter Funktionalität sorgt. Mit Hilfe des Ausgleichselementes werden insbesondere Axialversatz- und Winkelfehler beim Betrieb des Wellgetriebes ausgeglichen. Hierbei werden durch elastische Verschiebungen des in sich starren, innenverzahnten Hohlrades Spannung im flexiblen Verzahnungsbauteil, das heißt in dem außenverzahnten Getriebeelement, gemindert. Zugleich ist der vorhandene Bauraum sehr gut ausgenutzt.
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Das insgesamt ringförmige Ausgleichselement, auch als Zwischenscheibe bezeichnet, mit welchem das innenverzahnte Hohlrad am Gehäuse befestigt ist, liegt in einer Ebene, welche normal zur Rotationsachse des Wellgetriebes, das heißt zur Symmetrieachse des Hohlrades, ausgerichtet ist. In bevorzugter Ausgestaltung überragt das Ausgleichselement das Hohlrad radial sowohl nach innen als auch nach außen. Das Hohlrad kann entweder direkt oder über einen Zwischenring am Ausgleichselement befestigt sein. In vergleichbarer Weise kann das Ausgleichselement entweder direkt oder über einen anderen Zwischenring am Gehäuse befestigt sein. Ebenso ist es möglich, das Ausgleichselement mit Hilfe einzelner, voneinander getrennter Zwischenelemente am Gehäuse zu befestigen.
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Das Ausgleichselement weist in bevorzugter Ausgestaltung mehrere längliche, insbesondere leicht gekrümmte, sich jeweils in Umfangsrichtung des Ausgleichselementes und damit auch des Hohlrades erstreckende Aussparungen auf. Hierbei sind vorzugsweise innere Aussparungen von äußeren Aussparungen unterscheidbar, wobei die Krümmung der inneren Aussparungen der Krümmung der äußeren Aussparungen entgegengesetzt ist. Verschiedene Befestigungsstellen des Ausgleichselementes, nämlich innere Befestigungsstellen und äußere Befestigungsstellen, dienen einerseits der Verbindung des Ausgleichselementes mit dem Hohlrad und andererseits der Verbindung des Ausgleichselementes mit dem Gehäuse. Die verschiedenen Befestigungsstellen liegen vorzugsweise jeweils innerhalb eines Kreises, dessen Umfang im Fall der inneren Befestigungsstellen durch eine bogenförmige Kontur einer der inneren Aussparungen und im Fall der äußeren Befestigungsstellen durch eine Kontur der äußeren Aussparungen beschrieben ist. Unabhängig von der genauen Form der länglichen Aussparungen überlappen sich diese vorzugsweise in Umfangsrichtung des Ausgleichselementes. Dies bedeutet, dass zumindest einige von der Rotationsachse des Wellgetriebes ausgehende, in der Ebene des Ausgleichselementes liegende Radialstrahlen mehrere längliche Aussparungen schneiden, während andere Radialstrahlen existieren können, die jeweils nur eine einzige längliche Aussparung im Ausgleichselement schneiden.
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Das Wellgetriebe ist beispielsweise als Stellgetriebe in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors, geeignet. Alternativ ist das Wellgetriebe beispielsweise in einem elektrischen Nockenwellenversteller verwendbar.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 ausschnittsweise ein Wellgetriebe in einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors,
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2 und 3 verschiedene Gestaltungen eines flexiblen, außenverzahnten Getriebeelementes für das Wellgetriebe nach 1,
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4 ausschnittsweise ein ringförmiges Ausgleichselement des Wellgetriebes nach 1.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wellgetriebe ist zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, vorgesehen. Hierbei ist das Gehäuse 2 des Wellgetriebes 1 starr relativ zum Motorblock des Hubkolbenmotors angeordnet oder selbst Teil des Motorblocks.
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Am Gehäuse 2 ist über eine Zwischenscheibe 3, welche ein Ausgleichselement darstellt, ein innenverzahntes Hohlrad 4 befestigt. Die Anbindung des Hohlrades 4 über die Zwischenscheibe 3 am Gehäuse 2 sorgt für eine geringfügige, im Folgenden noch näher erläuterte Nachgiebigkeit des Hohlrades 4 gegenüber dem Gehäuse 2 in radialer sowie in axialer Richtung, wobei stets eine drehfeste, das heißt in Umfangsrichtung steife Verbindung zwischen dem Hohlrad 4 und dem Gehäuse 2 gegeben ist.
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Die Innenverzahnung des Hohlrades 4 kämmt mit einer Außenverzahnung eines flexiblen, topfförmigen Getriebeelementes 5, welches auch als Flextopf bezeichnet wird. Hierbei wird die Außenverzahnung des Getriebeelementes 5 mit Hilfe eines Wellgenerators 6 an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen im Eingriff mit der Innenverzahnung des Hohlrades 4 gebracht, während in den übrigen Umfangsbereichen die Außenverzahnung des Getriebeelementes 5 von der Innenverzahnung des Hohlrades 4 abgehoben ist.
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Der Wellgenerator 6 wird durch eine nicht dargestellte Verstellwelle elektrisch angetrieben und arbeitet mit einem Wälzlager 7, welches einen starren Innenring 8, einen Außenring 9, sowie zwischen den Lagerringen 8, 9 abrollende Kugeln als Wälzkörper 10 aufweist. Der Innenring 8 hat eine elliptische Form und wird durch die Verstellwelle angetrieben. Der Außenring 9 ist nachgiebig und passt sich permanent der elliptischen Form des Innenrings 8 an. Der Außenring 9 kontaktiert die Innenseite eines mit 11 bezeichneten zylindrischen Abschnitts des nachgiebigen, topfförmigen Getriebeelementes 5. Auf der dem Außenring 9 gegenüberliegenden Außenseite des zylindrischen Abschnitts 11 befindet sich die Außenverzahnung des Getriebeelementes 5, welche mit der Innenverzahnung des Hohlrades 4 zusammenwirkt. Eine geringfügig unterschiedliche Zähnezahl der Außenverzahnung des Getriebeelementes 5 einerseits und der Innenverzahnung des Hohlrades 4 andererseits sorgt dafür, dass sich bei einer vollen Umdrehung des Innenrings 8 das topfförmige Getriebeelement 5 geringfügig gegenüber dem Hohlrad 4 und damit auch dem Gehäuse 2 verdreht. Das Wellgetriebe 1 stellt damit ein hoch übersetztes Getriebe dar, wobei das Übersetzungsverhältnis bei 90:1 oder mehr, beispielsweise bei mindestens 100:1, liegen kann.
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Ein Boden 12 des Getriebeelementes 5 ist auf der der Verzahnung abgewandten Seite des zylindrischen Abschnitts 11 an diesen angeschlossen. Das gesamte Getriebeelement 5 ist damit einstückig, nämlich als Blechteil aus Stahlblech, ausgebildet. Auch die Verzahnung des zylindrischen Abschnitts 11 ist unmittelbar aus diesem geformt. Ein Übergangsbereich zwischen dem zylindrischen Abschnitt 11 und dem Boden 12 des topfförmigen Getriebeelementes 5 ist mit 13 bezeichnet. Der Boden 12 des Getriebeelementes 5 weist eine zentrale Öffnung 14 auf, welche konzentrisch zu einer Abtriebswelle 15 angeordnet ist, wobei die Rotationsachse der Abtriebswelle 15 mit R bezeichnet ist. Der Boden 12 des Getriebeelementes 5 ist fest mit der Abtriebswelle 15 verbunden, wobei eine Anzahl Verbindungsstellen 16, nämlich Verschraubungsstellen, gleichmäßig um die Rotationsachse R verteilt sind. Radial außerhalb der Verbindungsstellen 16 befinden sich mehrere Durchbrechungen 17 im Boden 12 des Getriebeelementes 5, welche zur Nachgiebigkeit des gesamten Getriebeelementes 5 beitragen und insbesondere mechanische Spannungen im Übergangsbereich 13 mindern. Der zylindrische Abschnitt 11 des Getriebeelementes 5, an welchem sich die mit dem Hohlrad 4 kämmende Außenverzahnung befindet, weist dagegen keine Durchbrechungen auf.
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Gestaltungsbeispiele von Durchbrechungen 17 im Boden 12 des Getriebeelementes 5 sind in den 2 und 3 veranschaulicht. Beide Gestaltungsformen sind für das Wellgetriebe 1 nach 1 geeignet.
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Im Beispiel gemäß 2 weist jede Durchbrechung 17 eine kreisrunde Form auf. Insgesamt sind in diesem Beispiel neun Durchbrechungen 17 im Boden 12 des Getriebeelementes 5 vorhanden. Weiterhin ist der Boden durch die zentrale Öffnung 14 sowie durch die Verbindungsstellen 16 durchbrochen.
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Dagegen weisen im Beispiel nach 3 die Durchbrechungen 17 jeweils eine annähernd dreieckige, abgerundete Form auf, welche sich radial von innen nach außen verbreitert. Zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Durchbrechungen 17 ist jeweils ein Steg 18 gebildet, dessen Breite radial von innen nach außen abnimmt.
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In 4 ist ausschnittsweise das ringförmige Ausgleichselement 3 skizziert, wie es im Wellgetriebe 1 nach 1 zum Einsatz kommt. Das Ausgleichselement 3, das heißt die Zwischenscheibe, mit welcher das Hohlrad 4 am Gehäuse 2 befestigt ist, weist eine äußere Sicke 19 und eine innere Sicke 20 auf, in welche jeweils eine Dichtung 26 zur Abdichtung gegenüber dem Gehäuse 2 eingelegt ist. Weiter sind längliche, bogenförmig gekrümmte Aussparungen 23, 27 erkennbar, die alternierend konvex und konkav gekrümmt sind und sich – in Umfangsrichtung gesehen – teilweise überlappen.
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Das Ausgleichselement 3 ist nicht direkt, sondern mittels eines äußeren Zwischenrings 21 und eines inneren Zwischenrings 22 mit dem Gehäuse 2 beziehungsweise mit dem Hohlrad 4 verbunden. Zur Herstellung dieser Verbindungen weist das Ausgleichselement 3 äußere Anbindungsstellen 24 sowie innere Anbindungsstellen 25 auf. Jede Anbindungsstelle 24, 25 liegt innerhalb von Kreisen, die durch die bogenförmigen Konturen der nächstgelegenen, konkaven Aussparung 27 beziehungsweise konvexen Aussparung 23 beschrieben wird. Die Aussparungen 23, 27 in der Zwischenscheibe 3 sorgen maßgeblich dafür, dass das Hohlrad 4 in Umfangsrichtung steif und zugleich in Axialrichtung sowie in Radialrichtung elastisch nachgiebig und damit auch geringfügig elastisch kippbar am Gehäuse 2 angebunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Ausgleichselement, Zwischenscheibe
- 4
- Hohlrad
- 5
- flexibles Getriebeelement
- 6
- Wellgenerator
- 7
- Wälzlager
- 8
- Innenring
- 9
- Außenring
- 10
- Wälzkörper, Kugel
- 11
- zylindrischer Abschnitt
- 12
- Boden
- 13
- Übergangsbereich
- 14
- Öffnung
- 15
- Abtriebswelle
- 16
- Verbindungsstelle
- 17
- Durchbrechung
- 18
- Steg
- 19
- äußere Sicke
- 20
- innere Sicke
- 21
- äußerer Zwischenring
- 22
- innerer Zwischenring
- 23
- innere Aussparung
- 24
- äußere Anbindungsstelle
- 25
- innere Anbindungsstelle
- 26
- Dichtung
- 27
- äußere Aussparung
- R
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0514829 B1 [0002, 0006]
- EP 0741256 B1 [0002, 0006]
- DE 102004009128 A1 [0003]
- DE 102013220220 A1 [0003]
- DE 102014202060 A1 [0003]
