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Die Erfindung betrifft ein als Stellgetriebe verwendbares Wellgetriebe, welches einen Wellgenerator sowie ein durch den Wellgenerator verformbares flexibles außenverzahntes Getriebeelement, 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
EP 0 741 256 B1 bekannt. Ein elastisches, außenverzahntes Element dieses Wellgetriebes ist als sogenannter Zylinderhut ausgebildet und weist verschiedene Bereiche uneinheitlicher Dicke auf.
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Zusätzlich zu Wandstärkeunterschieden, die bei Komponenten von Getrieben, insbesondere nachgiebigen Komponenten von Wellgetrieben, gemäß Bauteilauslegung vorgesehen sein können, treten in der Serienfertigung stets fertigungsbedingte Abweichungen beispielsweise der Wandstärke sowie der gesamten Bauteilgeometrie von der idealen Geometrie auf. Insbesondere können Rundheitsabweichungen im Wesentlichen rotationssymmetrischer Teile nicht vollkommen ausgeschlossen werden. Je nach Ausmaß solcher Abweichungen können Betriebseigenschaften des Getriebes, insbesondere Wellgetriebes, hiervon beeinflusst sein.
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Ein weiteres 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 in diesem Fall mehrere Vorzugsstellungen auf.
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Ebenfalls in einem elektrischen Nockenwellenversteller verwendbar ist ein Wellgetriebe, welches in der
DE 10 2007 049 072 A1 offenbart ist. Das Wellgetriebe ist über eine Ausgleichkupplung, nämlich Oldham-Kupplung, mit einem Verstellmotor gekoppelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich seiner Laufeigenschaften weiterentwickeltes Wellgetriebe anzugeben.
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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 nachgiebiges, außenverzahntes Getriebeelement auf, welches beim Betrieb des Wellgetriebes durch einen Wellgenerator permanent verformt wird. Im Unterschied zum Stand der Technik hat dieses flexible, außenverzahnte Getriebeelement eine – bezogen auf dessen mechanisch unbelasteten Zustand – nicht elliptische Form. Dies bedeutet, dass auch eine Kreisform – als Spezialfall einer Ellipse – als Gestalt des nachgiebigen, außenverzahnten Getriebeelementes, soweit es keinen äußeren Kräften ausgesetzt ist, ausgeschlossen ist.
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Im Vergleich zu einem starren, elliptischen Bauteil, insbesondere Lagerring, des in dem Wellgetriebe verwendeten Wellgenerators weist somit das flexible, außenverzahnte Getriebeelement, jeweils verglichen mit einer Kreisform, eine Form höherer Komplexität auf. Die höhere Komplexität drückt sich insbesondere dadurch aus, dass eine Kurve, die die Abweichungen des nicht kreisförmigen Teils, das heißt in einem Fall des starren Innenrings und im anderen Fall des nachgiebigen Getriebeelementes, gegenüber der Kreisform über den gesamten Umfang des jeweiligen Teils angibt, im Fall des nachgiebigen Getriebeelementes mehr Wendepunkte als im Fall des starren Bauteils des Wellgenerators aufweist. Im Gegensatz zur genannten Kurve, welche Abweichungen von der Kreisform zeigt, weist das flexible, außenverzahnte Getriebeelement selbst keine Wendepunkte auf. Das heißt, das Getriebeelement ist über seinen gesamten Umfang in derselben Richtung gekrümmt.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein für die Funktion eines Wellgetriebes essentielles, flexibles Getriebeelement typischerweise eine Grundform, das heißt eine Form im mechanisch nicht belasteten Zustand, aufweist, die im Querschnitt einen Kreis beschreibt. Aus fertigungstechnischen Gründen kann es jedoch nicht beabsichtigte Abweichungen von der idealen Kreisform geben. Insbesondere kann das flexible Getriebeelement in seinem Grundzustand eine nicht definierte ovale Unrundheit aufweisen. Die fehlende Definiertheit dieser ovalen Unrundheit bezieht sich sowohl auf betragsmäßige Abweichungen von der idealen Kreisform als auch auf die Winkelausrichtung der ovalen Form. Bei der Montage des Wellgenerators wird in herkömmlicher Weise ein derart nicht ideales Getriebeelement auf ein in definierter Weise elliptisches Bauteil des Wellgenerators aufgesetzt. Die Winkelausrichtung zwischen den Halbachsen des fertigungsbedingt geringfügig unrunden flexiblen Getriebeelements und den Halbachsen des elliptischen Bauteils des Wellgenerators ist dabei nicht determiniert. Je nach Winkelrelation zwischen den genannten Teilen kann es somit mehr oder weniger beim Betrieb des Wellgenerators zu nicht gewünschten Rastmomenten kommen. Aufgrund solcher Rastmomente existieren Vorzugslagen des Wellgenerators, die die Regelbarkeit eines Systems, welches einen Stellmotor und das Wellgetriebe umfasst, negativ beeinflussen.
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Derartige negative Einflüsse werden gemäß der Erfindung gezielt eliminiert, indem das flexible, außenverzahnte Getriebeelement des Wellgetriebes eine Grundform aufweist, die nicht nur von einer Kreisform, sondern auch von einer elliptischen Form mit ungleichen Halbachsen abweicht. Dadurch, dass das flexible, außenverzahnte Getriebeelement im mechanisch unbelasteten Zustand eine komplexere Formabweichung gegenüber einer kreisrunden Form als ein unrunder, insbesondere elliptischer, Innenring des Wellgenerators aufweist, sind Rastmomente innerhalb des Wellgetriebes auf ein vernachlässigbares Maß reduziert.
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Der elliptische Innenring des Wellgenerators weist ebenso wie das komplexer unrunde, flexible, außenverzahnte Getriebeelement einen mittleren Radius auf, welcher jeweils dem Radius eines Kreises entspricht, wobei im zusammengebauten Zustand des Wellgetriebes die beiden Kreise konzentrisch angeordnet sind. Zwischen dem gedachten Kreis, dessen Radius dem mittleren Radius des Innenrings des Wellgetriebes entspricht, und der tatsächlichen Außenkontur dieses Innenrings sind eine Anzahl Schnittpunkte gebildet. Die Begriffe „Radius des Innenring“ sowie „Außenkontur des Innenrings“ beziehen sich hierbei auf die Mitte einer Laufbahn, auf welcher Wälzkörper, insbesondere Kugeln, abrollen, die – typischerweise über einen Außenring des Wälzlagers – das nachgiebige, außenverzahnte Getriebeelement verformen.
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In analoger Weise existieren Schnittpunkte zwischen der tatsächlichen, mechanisch unbelasteten Kontur des flexiblen Getriebeelements und demjenigen Kreis, dessen Radius dem mittleren Radius dieses Getriebeelementes entspricht. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Anzahl der am Umfang verteilten Schnittpunkte, welche durch die Konturen des Innenrings des Wellgenerators definiert sind, geringer als die Anzahl der am Umfang verteilten Schnittpunkte, welche im Fall des flexiblen, außenverzahnten Getriebeelements existieren. Vorzugsweise existiert im Fall des Innenrings des Wellgenerators eine gerade Zahl an Umfangsabschnitten, in welchen der tatsächliche Radius größer als der mittlere Radius ist, wogegen im Fall des flexiblen Getriebeelementes eine ungerade Zahl derartiger Umfangsabschnitte existiert.
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Insbesondere kann das flexible, außenverzahnte Getriebeelement, im Querschnitt betrachtet, als Gleichdick ausgebildet sein. Unter einem Gleichdick wird in der Geometrie eine zweidimensionale Figur verstanden, die in jeder Richtung gleich dick ist. Dies bedeutet, dass zwei Parallelen, die auf die Figur zu bewegt werden, stets den gleichen Abstand voneinander haben, wenn sie die Figur berühren, unabhängig davon, in welcher Winkelrelation sie zu der Figur ausgerichtet sind. Die Grundform des flexiblen, außenverzahnten Getriebeelementes kann beispielsweise ein Dreieck mit bogenförmigen Seiten sein. Ebenso kann das flexible Getriebeelement im Querschnitt beispielsweise ein Gleichdick mit fünfeckiger Grundform beschreiben.
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Auch in Querschnittsformen, die von einem Gleichdick abweichen, weist das flexible Getriebeelement mehrere Bogenabschnitte auf, in welchen der tatsächliche, auf den unverformten Zustand bezogene Radius größer als der mittlere Radius dieses Bauteils ist. In einer möglichen Ausgestaltung weisen mindestens zwei dieser Bogenabschnitte, insbesondere alle derartigen Bogenabschnitte, eine uneinheitliche Länge auf. In analoger Weise können in einer solchen Ausführungsform sämtliche Bogenabschnitte des flexiblen Getriebeelements, die innerhalb des Kreises mit dem mittleren Radius dieses Getriebeelementes liegen, voneinander abweichende Längen aufweisen. Durch diese gezielte Asymmetrie des flexiblen außenverzahnten Getriebeelements sind jegliche Rastmomente oder Resonanzen beim Betrieb des Wellgetriebes besonders wirksam unterdrückt.
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Das flexible Getriebeelement weist in jedem Fall einen zylindrischen Abschnitt auf, an welchem sich die Außenverzahnung befindet. Ist das gesamte flexible Getriebeelement zylindrisch gestaltet, so wird es als Flexring bezeichnet. Die Außenverzahnung erstreckt sich hierbei vorzugsweise über die gesamte in axialer Richtung gemessene Ausdehnung des Flexrings. In alternativen Ausgestaltungen erstreckt sich die Außenverzahnung lediglich über einen Teil des zylindrischen Abschnitts des flexiblen Getriebeelements. An diejenige Stirnseite des zylindrischen Abschnitts, an welcher nicht die Außenverzahnung grenzt, schließt hierbei ein ringscheibenförmiger Abschnitt an, welcher entweder radial nach innen oder radial nach außen gerichtet sein kann. Im ersten Fall spricht man von einer Topfform, im zweiten Fall von einer Hutform des flexiblen Getriebeelements.
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Das Wellgetriebe ist beispielsweise als Stellgetriebe in einem Kraftfahrzeug verwendbar. Hierbei kann es sich zum Beispiel um ein Stellgetriebe eines elektrischen Nockenwellenverstellers oder um ein Stellgetriebe einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors handeln.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 in einer schematischen Schnittdarstellung ein Wellgetriebe,
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2 Komponenten, nämlich einen Innenring und ein flexibles Getriebeelement, für das Wellgetriebe nach 1 in isoliertem sowie in montiertem Zustand,
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3 in einem Diagramm Formabweichungen von Komponenten eines Wellgetriebes in Relation zur Kreisform.
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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 Innenverzahnungen 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 70:1, gegeben.
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Die 2 zeigt symbolisiert zwei Komponenten des Wellgetriebes 1 nach 1, nämlich den Innenring 11 des Wellgenerators 8 sowie den Flexring 14. Hierbei sind die genannten Teile 11, 14 des Wellgetriebes 1 sowohl im voneinander separierten als auch im zusammengebauten Zustand dargestellt. Zur Verdeutlichung der geometrischen Zusammenhänge ist im letztgenannten Zustand in 2 eine Verformung des Flexrings 14 durch den Wellgenerator 8, wie sie beim tatsächlichen Betrieb des Wellgetriebes 1 gegeben ist, nicht berücksichtigt.
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Deutlich erkennbar ist die elliptische Form des Innenrings 11 sowie die im Vergleich hierzu wesentlich komplexere, unsymmetrische Gestalt des Getriebeelementes 14, das heißt des Flexrings. Näherungsweise beschreibt der Querschnitt des Flexrings 14 ein Gleichdick mit drei Ecken. Die im Vergleich zum Innenring 11 mit einem höheren Grad an Komplexität von der Kreisform abweichende Gestalt des flexiblen, außenverzahnten Getriebeelementes 14 sorgt dafür, dass praktisch keine Vorzugsstellung des Wellgenerators 8 existiert. Dies gilt auch unter unvermeidlichen Schwankungen von Bauteileigenschaften unter Bedingungen der Serienfertigung.
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Die 3 veranschaulicht anhand eines weiteren Beispiels Eigenschaften von Komponenten, welche ebenfalls für die Verwendung in dem Wellgetriebe nach 1 geeignet sind. Hierbei sind Abweichungen sowohl des rotierbaren, in sich starren Innenrings 11 des Wellgenerators 8 als auch des flexiblen, außenverzahnten Getriebeelementes 14 von der Kreisform in einem Diagramm dargestellt. Hierbei wird der volle Umfang der beiden Teile 11, 14, das heißt ein Winkel α von 0 bis 360°, betrachtet. Dargestellt sind in idealisierter Weise die Radien r der beiden Teile 11, 14, wobei deren mittlerer Radius auf einen Wert rK normiert ist. Im Unterschied zur Bauform nach 2 handelt es sich im Fall von 3 beim Flexring 14 nicht um ein Gleichdick.
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Der elliptische Innenring 11 hat eine Außenkontur, die im Diagramm nach 3 eine Schwingung beschreibt, wobei der tatsächliche Außendurchmesser des Innenrings 11 mit rW bezeichnet ist. Der Wert von rW stimmt an den Punkten 0°, 90°, 180° und 270° mit dem mittleren Radius rK überein. Es existieren somit zwei Umfangsabschnitte, in denen der tatsächliche Radius rW des Innenrings 11 größer als der mittlere Radius rK ist, und zwei Umfangsabschnitte, in denen der Radius rW des Innenrings 11 kleiner als der mittlere Radius rK ist.
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Anders als der Innenring 11 weist der Flexring 14 nach 3 jeweils drei Umfangsabschnitte auf, in welchen der mit rF bezeichnete tatsächliche, auf dem mechanisch unbelasteten Zustand bezogene Radius des Flexrings 14 größer als der mittlere Radius rK ist. Ein Knick des Flexrings 14 beim Winkel α = 0° = 360° ist in 3 übertrieben scharf dargestellt. Deutlich geht aus 3 hervor, dass einzelne Umfangsabschnitte des Flexrings 14, in welchen dessen Radius rF den mittleren Radius rK über- oder unterschreitet, uneinheitlich lang sind. Diese Vermeidung von Symmetrien des nachgiebigen Getriebeelementes 14, das heißt Flexrings, trägt maßgeblich zu einem nicht rastenden und resonanzfreien Betrieb des Wellgetriebes 1 bei.
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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
- r
- Radius
- rF
- Radius des Flexrings
- rK
- mittlerer Radius
- rW
- Radius des Innenrings des Wellrings
