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Die Erfindung betrifft ein als Stellgetriebe, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, verwendbares Wellgetriebe, welches einen Wellgenerator aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein flexibles, außenverzahntes Getriebeelement permanent zu verformen. Die Außenverzahnung dieses flexiblen Getriebeelementes kämmt mit einem innenverzahnten, in sich starren Getriebeelement.
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Ein derartiges Wellgetriebe ist beispielsweise aus der
DE 10 2013 220 220 A1 bekannt. Dieses Wellgetriebe ist Teil einer Nockenwellenverstellvorrichtung.
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Verschiedene Verzahnungsgeometrien von Wellgetrieben sind beispielsweise aus der
DE 198 35 571 A1 sowie aus der
WO 2012/104927 A1 bekannt. Im letztgenannten Fall ist als Verzahnung ein Evolventen-Zahnprofil mit positiver Verbiegung und einem Druckwinkel von weniger als 20 Grad vorgesehen.
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Die
DE 10 2004 037 540 A1 offenbart ein Spannungswellengetriebe mit einer Verzahnung, deren Zähne im Bereich des Zahnkopfes eine Hinterschneidung aufweisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickeltes Wellgetriebe anzugeben, welches eine Verzahnungsgeometrie aufweist, die sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Fertigungsaufwand und mechanischer Beanspruchung, auch unter Bedingungen der industriellen Serienfertigung mit nicht vollständig vermeidbarer Streuung geometrischer Merkmale, auszeichnet.
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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 einen Wellgenerator auf, der beim Betrieb des Wellgetriebes ein flexibles, außenverzahntes Getriebeelement permanent verformt, sodass es in partiellem Kontakt mit einem starren, innenverzahnten Getriebeelement ist. Erfindungsgemäß sind die Verzahnungen des flexiblen sowie des starren Getriebeelementes als elliptische Verzahnungen ausgebildet. Dies heißt, dass Ellipsen Erzeugende jeder der genannten Verzahnungen sind.
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Dank der elliptischen Konturen der Verzahnungen sind Druckwinkel bis hinab zu null Grad realisierbar. Elliptische Konturen bei Körpern, welche Drehmomente übertragen, sind prinzipiell aus der
DE 42 06 222 C2 bekannt. Eine gezielte Nachgiebigkeit von Teilen, die zur Drehmomentübertragung vorgesehen sind, ist hierbei nicht gegeben.
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Die beiden miteinander kämmenden Verzahnungen des Wellgetriebes, das heißt die Außenverzahnung des elastischen Getriebeelementes einerseits und die Innenverzahnung des starren Getriebeelementes andererseits, weisen in bevorzugter Ausgestaltung einen minimalen Zahnflankenwinkel von weniger als 5 Grad, insbesondere einen minimalen Zahnflankenwinkel von Null auf. Im Fall eines minimalen Zahnflankenwinkels von Null beschreibt ein konkaver Abschnitt der Kontur der Verzahnung eine halbe Ellipse, während an diesen Abschnitt knickfrei anschließende konvexe Abschnitte der Verzahnungskontur jeweils ebenfalls eine halbe Ellipse beschreiben. Wird ein Drehmoment zwischen den beiden Getriebeelementen über denjenigen Punkte beider Verzahnungen übertragen, an denen der minimale Zahnflankenwinkel in Höhe von null Grad vorliegt, so bedeutet dies, dass eine an die Verzahnungskonturen angelegte, durch den Kontaktpunkt zwischen den Verzahnungen verlaufende Tangente die gemeinsame Mittelachse beider Getriebeelemente schneidet. Zwischen den Getriebeelementen werden hierbei ausschließlich Tangentialkräfte übertragen. Durch den Wegfall von Radialkräften werden insbesondere Lagerungen innerhalb des Wellgetriebes geschont. In jedem Fall sind zumindest geringe Radialkräfte, die vom Wellgenerator auf das flexible Getriebeelement übertragen werden, erforderlich, um die Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes in jedem Betriebszustand in Eingriff mit der Innenverzahnung des starren Getriebeelementes zu bringen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist bei jedem Getriebeelement als Erzeugende der jeweiligen Verzahnung eine Ellipse gegeben, deren große Halbachse mindestens das eineinhalbfache und höchstens das sechsfache deren kleiner Halbachse beträgt. Die kleine Halbachse der Ellipse, welche Erzeugende der Verzahnung ist, entspricht hierbei vorzugsweise mindestens 0,5 % und höchstens 5 % des Teilkreisradius des starren Getriebeelementes.
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Die Verzahnungen der beiden Getriebeelemente weisen vorzugsweise identisch dimensionierte Ellipsen als Erzeugende auf. Im Fall des flexiblen Getriebeelementes gilt dies für diejenigen Bereiche der Verzahnung, welche in die Innenverzahnung des starren Getriebeelementes eingreifen. Außerhalb des Eingriffbereiches der beiden Verzahnungen kann die Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes im Vergleich hierzu verformt sein, ohne die Funktion des Wellgetriebes zu beeinträchtigen.
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Ein besonderer Vorteil der durch Abschnitte von Ellipsen beschriebenen Zahnflankenkonturen der Getriebeelemente liegt auch darin, dass im Vergleich zu gängigen Verzahnungen, beispielsweise Evolventenverzahnungen, eine relativ geringe Abhängigkeit des Druckwinkels vom Abstand zwischen den Rotationsachsen der Getriebeelemente gegeben ist. Im Idealfall fällt die Symmetrieachse des inneren, flexiblen Getriebeelementes des mit der Symmetrieachse des äußeren, starren Getriebeelementes zusammen. Ist dies nicht der Fall, vergrößert sich der Druckwinkel tendenziell. In bevorzugter Ausgestaltung sind die beiden Getriebeelemente stets mit einem Druckwinkel von weniger als 5 Grad miteinander in Kontakt.
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Gemäß einer ersten möglichen Bauform ist das flexible Getriebeelement als Flextopf ausgebildet. Dies bedeutet, dass sich an einen zylindrischen, die Außenverzahnung tragenden Abschnitt des flexiblen Getriebeelementes zumindest partiell ein Boden anschließt, welcher im Wesentlichen in einer zur Rotationsachse des Wellgetriebes normalen Ebene liegt. An diesen Boden ist eine Abtriebswelle des Wellgetriebes, beispielsweise eine Nockenwelle, anschließbar.
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Gemäß einer alternativen Bauform ist das flexible Getriebeelement als Flexring, das heißt ringförmiges Bauteil ohne Boden, ausgebildet. In diesem Fall wird von dem Flexring ein Drehmoment auf ein weiteres ringförmiges Getriebeelement übertragen, an welches direkt oder indirekt eine Abtriebswelle anschließbar ist.
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Das Wellgetriebe ist als Stellgetriebe beispielsweise in einem Nockenwellenversteller, insbesondere einem elektrischen Nockenwellenversteller, oder in einer Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine verwendbar.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 ausschnittsweise ein Wellgetriebe in einer Schnittdarstellung,
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2 Konturen von Verzahnungen innerhalb des Wellgetriebes nach 1, einschließlich eines vergrößerten Details „Z“,
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3 in einer Darstellung analog 2 Verzahnungsdetails bei gegenüber 2 geringfügig modifizierter Anordnung von Getriebeelementen des Wellgetriebes.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wellgetriebe, welches in 1 nur ausschnittsweise dargestellt ist, fungiert als Stellgetriebe in einem nicht weiter dargestellten Nockenwellenversteller oder in einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors. Bei dem Wellgetriebe 1 handelt es sich um ein hochuntersetztes Dreiwellengetriebe. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Wellgetriebes 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Ein Antriebsrad 2 des Wellgetriebes 1 ist beispielsweise über einen Ketten- oder Riementrieb oder über Zahnräder angetrieben. Eine Ausgangswelle 3 des Wellgetriebes ist im Fall eines Nockenwellenverstellers mit einer Nockenwelle zur Steuerung von Gaswechselventilen drehfest verbunden oder identisch. Die gemeinsame Rotationsachse des Antriebsrades 2 und der Ausgangswelle 3 ist mit R bezeichnet. Je nach Verwendung des Wellgetriebes 1 sind auch Anordnungen realisierbar, in denen das Antriebsrad 2 nicht rotiert, sondern als feststehendes Gehäusebauteil ausgebildet ist. Dies gilt beispielsweise für die Verwendung des Wellgetriebes 1 als Stellgetriebe in einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors. In diesem Fall kann es sich bei der Ausgangswelle 3 zum Beispiel um eine Exzenterwelle handeln, welche einen Anlenkpunkt eines Nebenpleuels des Kurbeltriebs verstellt.
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Ein Wellgenerator 4 des Wellgetriebes 1 wird durch eine nicht dargestellte Verstellwelle angetrieben, die – ebenso wie die Ausgangswelle 3 – um die Rotationsachse R rotiert. Im Fall einer Rotation des Antriebsrades 2 rotiert auch die Ausgangswelle 3 mit der Drehzahl des Antriebsrades 2, solange sich auch die Verstellwelle mit dieser Drehzahl dreht.
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Der Wellgenerator 4 umfasst ein Wälzlager 5, nämlich Kugellager, mit zwei Lagerringen 6, 7, nämlich einem Innenring 6 und einem Außenring 7, zwischen welchen Kugeln 8 als Wälzkörper abrollen. Der Innenring 6 hat eine starre elliptische Form und ist durch die Verstellwelle direkt angetrieben. Der Außenring 7 dagegen ist nachgiebig und passt sich permanent der elliptischen Form des Innenrings 6 an. Der Außenring 7 ist umgeben von einem flexiblen Getriebeelement 9, welches bei der Rotation des Innenrings 6 ebenfalls permanent verformt wird. Das flexible Getriebeelement 9 weist eine topfförmige Gestalt auf, wobei sich an einen zylindrischen Abschnitt 10, welcher radial unmittelbar außerhalb des Außenrings 7 angeordnet ist, ein Boden 11 anschließt, welcher in einer Ebene liegt, die normal zur Rotationsachse R ausgerichtet ist. Beim Betrieb des Wellgenerators 4 verformt sich der Boden 11 im Vergleich zum zylindrischen Abschnitt 10 des flexiblen Getriebeelementes 9 nur geringfügig. Der Boden 11 ist an der Ausgangswelle 3 befestigt.
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An der Außenoberfläche des zylindrischen Abschnitts 10 ist eine Außenverzahnung 12 ausgebildet, welche in eine Innenverzahnung 13 des Antriebsrades 2 eingreift. Die Außenverzahnung 12 befindet sich an derjenigen Stirnseite des flexiblen, topfförmigen Getriebeelementes 9, welche dem Boden 11 und damit auch der Ausgangswelle 3 abgewandt ist.
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Das Antriebsrad 2 wird allgemein auch als starres Getriebeelement bezeichnet. Details der Verzahnungen 12, 13 des verformbaren, außenverzahnten Getriebeelementes 9 beziehungsweise des starren Getriebeelementes 2 gehen aus den 2 und 3 hervor. Die 2 zeigt (einschließlich eines Details „Z“) ausschnittsweise eine schematisierte Ansicht des flexiblen Getriebeelementes 9 sowie des starren Getriebeelementes 2 mit Blickrichtung parallel zur Rotationsachse R. Ein Kontakt zwischen der Außenverzahnung 12 und der Innenverzahnung 13 ist an einem Schnittpunkt zwischen einer Radiallinie RL und einer Tangentiallinie TL gegeben, wobei die Radiallinie RL die Rotationsachse R schneidet. Ebenso wie die beiden Verzahnungen 12, 13 am Schnittpunkt der Radiallinie RL und der Tangentiallinie TL miteinander kämmen, befindet sich ein weiterer Eingriffsbereich, welcher eine Drehmomentübertragung zwischen den Getriebeelementen 2, 9 ermöglicht, in nicht dargestellter Weise im diametral gegenüberliegenden Umfangsabschnitt der Getriebeelemente 2, 9. In dazwischenliegenden Umfangsabschnitten ist dagegen die Außenverzahnung 12 des flexiblen Getriebeelementes 9 von der Innenverzahnung 13 des starren Getriebeelementes 2 abgehoben. Die Zähnezahl der Innenverzahnung 13 unterscheidet sich geringfügig, nämlich um zwei, von der Zähnezahl der Außenverzahnung 12, so dass eine Rotation des Innenrings 6 um eine volle Umdrehung zu einer geringfügigen Verdrehung zwischen den Getriebeelementen 2, 9 führt.
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Sowohl die Außenverzahnung 12 als auch die Innenverzahnung 13 weisen Verzahnungskonturen auf, welche durch Ellipsen als Erzeugende beschreibbar sind. Jede Verzahnung 12, 13 setzt sich aus konvex und konkav gekrümmten Bereichen zusammen, wobei jeder einzelne gekrümmte Bereich jeweils eine halbe Ellipse beschreibt. In der Anordnung nach den 2, in welcher der Schnittpunkt zwischen der Radiallinie RL und der Tangentiallinie TL einen Berührpunkt BP darstellt, an welchem die Außenverzahnung 12 die Innenverzahnung 13 kontaktiert, ist eine durch den Berührpunkt BP laufende, an beide Verzahnungen 12, 13 angelegte Tangente mit der Radiallinie RL identisch. Zwischen den Verzahnungen 12, 13 wird ausschließlich eine Tangentialkraft Ft übertragen. Der Berührpunkt BP entspricht einem Wendepunkt WP in der Kontur der Verzahnungen 12, 13.
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Zwischen zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Wendenpunkten WP beschreibt jede Verzahnung 12, 13 die Hälfte einer Ellipse, deren Halbachsen mit L1, L2 bezeichnet sind. Die mit R1, R2 bezeichneten Teilkreisradien der beiden Verzahnungen 12, 13 sind in der Anordnung nach 2 identisch. Da die Flanken der Verzahnungen 12, 13 am Wendepunkt WP in Radialrichtung, bezogen auf die Rotationsachse R, ausgerichtet sind, werden in dem in 2 skizzierten Zustand keine Radialkräfte zwischen den Getriebeelementen 2, 9 erzeugt.
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Abweichend von dem in 2 dargestellten Zustand ist in der Anordnung nach 3 eine geringfügige Differenz zwischen den Teilkreisradien R1, R2 der Getriebeelemente 2, 9 gegeben. Dies führt dazu, dass der Berührpunkt BP zwischen den Verzahnungen 12, 13 geringfügig vom Wendepunkt WP abweicht. Die Kraftübertragung zwischen den Getriebeelementen 9, 2 kann damit nicht mehr ausschließlich in tangentialer Richtung erfolgen. Vielmehr wird zusätzlich zur Tangentialkraft Ft eine Radialkraft FR erzeugt, so dass die mit FG bezeichnete resultierende Gesamtkraft, welche über die Verzahnungen 12, 13 zwischen den Getriebeelementen 2, 9 übertragen wird, nicht exakt in einem Winkel von 90 Grad zur Radiallinie RL ausgerichtet ist. Ein zwischen den Verzahnungen 12, 13 wirksamer Druckwinkel α beträgt in der Anordnung nach 3 acht Grad und ist damit trotz der nicht übereinstimmenden Teilkreisradien R1, R2 wesentlich geringer als Druckwinkel bei üblichen Evolventenverzahnungen. Dies führt zu einer besonderen Schonung von Komponenten des Wellgetriebes 1, einschließlich der Verzahnungen 12, 13, sowie des Wälzlagers 5 und weiterer, nicht dargestellter Lagerungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Antriebsrad, starres Getriebeelement
- 3
- Ausgangswelle
- 4
- Wellgenerator
- 5
- Wälzlager
- 6
- Innenring
- 7
- Außenring
- 8
- Kugel
- 9
- flexibles Getriebeelement
- 10
- zylindrischer Abschnitt
- 11
- Boden
- 12
- Außenverzahnung
- 13
- Innenverzahnung
- α
- Druckwinkel
- BP
- Berührpunkt
- FG
- Gesamtkraft
- FR
- Radialkraft
- Ft
- Tangentialkraft
- L1, L2
- Halbachse
- R
- Rotationsachse
- R1, R2
- Teilkreisradius
- RL
- Radiallinie
- TL
- Tangentiallinie
- WP
- Wendepunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013220220 A1 [0002]
- DE 19835571 A1 [0003]
- WO 2012/104927 A1 [0003]
- DE 102004037540 A1 [0004]
- DE 4206222 C2 [0007]
