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Die Erfindung betrifft ein Stellgetriebe für ein Kraftfahrzeug mit einem Wellgetriebe, welches ein in sich starres Getriebeelement sowie ein mit diesem unmittelbar zusammenwirkendes, flexibles Getriebeelement aufweist, wobei eine zu einer Rotationsachse des Wellgetriebes konzentrische Innenverzahnung des starren Getriebeelementes mit einer Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes kämmt und zur Verformung des flexiblen Getriebeelementes ein Wellgenerator vorgesehen ist, welcher einen Außenring aufweist, der Radialkräfte – bezogen auf die genannte Rotationsachse – auf das flexible Getriebeelement überträgt.
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Ein Wellgetriebe ist beispielsweise aus der
EP 0 514 829 B1 bekannt. Dieses Wellgetriebe weist ein topfförmiges flexibles Getriebeelement auf, welches in diesem Fall als verformbares Verzahnungsteil bezeichnet ist. Das in diesem Fall als Spannungswellengetriebe bezeichnete Wellgetriebe soll zum Einsatz in Robotern geeignet sein.
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Ein weiteres, ebenfalls zum Einsatz in Robotern vorgesehenes Wellgetriebe ist aus der
EP 0 741 256 A1 bekannt. In diesem Fall ist ein flexibles Getriebeelementes als Kragenhülse ausgebildet.
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Ein in einem Kraftfahrzeug verwendbares Wellgetriebe ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 213 597 A1 bekannt. Das Wellgetriebe ist in diesem Fall Teil eines Nockenwellenverstellers und zugleich mit einem Hilfs- oder Nebenaggregat einer Brennkraftmaschine gekoppelt.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2015 104 135 A1 zeigt ein Wellgetriebe mit einem Trockenlauf. Das Wellgetriebe weist ein Lager außerhalb der Projektion der Innenverzahnung des innenverzahnten Rades senkrecht zur Richtung der Drehachse auf und eine Kontur der Außenverzahnung, die im Fußbereich außer Eingriff ist.
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DD 244 796 A1 zeigt ein Wellgetriebe mit einem Zahnbereich, dessen Lastverformung dadurch vergleichmäßigt ist, dass das topfförmige, elastische Rad eine kegelförmige Verzahnung aufweist, die den Außendurchmesser der Topfhülse zum Topfrand hin reduziert. Durch den Wellgenerator wird die Topfhülse mit der Verzahnung so verformt, dass ein vergleichmäßigter Zahneingriff entsteht. Die Herstellung der kegelförmigen Verzahnung ist aufwändig und erfordert eine genaue axiale Positionierung des Wellgenerators.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stellgetriebe gegenüber dem genannten Stand der Technik hinsichtlich eines besonders kompakten, beanspruchungsgerechten Aufbaus weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Stellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Wellgetriebe des Stellgetriebes weist in an sich bekanntem Grundaufbau ein in sich starres Getriebeelement auf, welches mit einer zu einer Rotationsachse des Wellgetriebes konzentrischen Innenverzahnung versehen ist. Hierbei kann das starre Getriebeelement entweder drehbar oder fest in einer Umgebungskonstruktion angeordnet sein. In jedem Fall wirkt mit dem in sich starren, eine ringförmige Innenverzahnung aufweisenden Getriebeelement ein flexibles Getriebeelement zusammen, wobei eine Außenverzahnung dieses flexiblen Getriebeelementes partiell mit der Innenverzahnung des starren Getriebeelementes kämmt. Beim Betrieb des Wellgetriebes wird das flexible Getriebeelement permanent verformt, wobei diese Verformung durch einen Wellgenerator bewerkstelligt wird, welcher einen Außenring aufweist, der flexibel und auf der Innenseite des verformbaren, außenverzahnten Getriebeelementes angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist der Außenring des Wellgenerators in Axialrichtung – bezogen auf die Rotationsachse des Wellgetriebe – gegenüber den Verzahnungen, das heißt sowohl der Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes als auch der Innenverzahnung des starren Getriebeelementes versetzt angeordnet. Anders ausgedrückt: An einer Stirnseite des Wellgetriebes ragen die miteinander kämmenden Verzahnungen der beiden genannten Getriebeelemente in Axialrichtung über den Wellgenerator, zumindest über dessen Außenring, hinaus.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass das starre Getriebeelement im Bereich seiner Innenverzahnung eine nahezu ideale zylindrische Form aufweist. In ähnlicher Weise beschreibt auch das flexible Getriebeelement eine zylindrische Form, solange es nicht verformt ist. Dementsprechend sind die Verzahnungen der beiden Getriebeelemente perfekt aufeinander abgestimmt, solange keine Verformung des flexiblen Getriebeelementes gegeben ist. Beim Betrieb des Wellgetriebes prinzipbedingt auftretende Verformungen bedeuten in erster Linie einen Übergang von einem kreisförmigen Querschnitt des flexiblen Getriebeelementes zu einem elliptischen Querschnitt. Es hat sich gezeigt, dass bei diesen Verformungen auch eine zwar geringe, jedoch nicht vernachlässigbare Konizität des flexiblen Getriebeelementes entsteht. Diese Konizität führt dazu, dass der Wälzkontakt zwischen der Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes und der Innenverzahnung des starren Getriebeelementes von dem auslegungsgemäßen Zustand abweicht. Derartige Abweichungen könnten prinzipiell dadurch ausgeglichen werden, dass die Verzahnungen vom starren und flexiblen Getriebeelement entsprechend den Verzahnungen von rotierenden Getriebeelementen, deren Rotationsachsen nicht parallel zueinander angeordnet sind, modifiziert werden.
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Gemäß der Erfindung ist jedoch keine Modifikation der Verzahnungsgeometrie erforderlich. Stattdessen wird die ohnehin vorhandene Flexibilität des nachgiebigen, außenverzahnten Getriebeelementes genutzt, um in Zusammenwirkung mit dem Wellgenerator einen zumindest näherungsweise idealen Wälzkontakt zwischen der Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes einerseits und der Innenverzahnung des starren Getriebeelementes andererseits zu erreichen. Zur Realisierung dieses Ziels wird die Abstützung der Innenseite des flexiblen Getriebeelementes durch den Wellgenerator derart vom verzahnten Bereich des flexiblen Getriebeelementes wegversetzt, dass der außenverzahnte Bereich des flexiblen Getriebeelementes zumindest minimal in Radialrichtung gegenüber dem Außenring des Wellgenerators beweglich, insbesondere kippbar, ist. Die minimale Verkippung des außenverzahnten Bereichs des flexiblen Getriebeelementes hat zur Folge, dass sich dieser Bereich beim Betrieb des Wellgenerators der verzahnten Innenkontur des starren Getriebeelementes permanent anpassen kann. Auf diese Weise sind im Vergleich zu einem in einem ausgeprägteren Maße in eine konische Form überführten flexiblen Getriebeelement die Kontaktflächen zwischen der Außenverzahnung des nachgiebigen Getriebeelementes und der Innenverzahnung des in sich starren Getriebeelementes vergrößert, was die Drehmomentübertragungskapazität des Wellgetriebes erhöht, und dessen Lebensdauer zugutekommt.
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Durch die Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes und die Innenverzahnung des starren Getriebeelementes kann eine gemeinsame Mittelebene gelegt werden, welche zur Rotationsachse des Wellgetriebes normal ist und kurz als Verzahnungsebene bezeichnet wird. Eine in analoger Weise mittig durch den Wellgenerator gelegte, ebenfalls zur Rotationsachse normale Ebene wird als Lagerebene bezeichnet. Zwischen der Verzahnungsebene und der Lagerebene ist ein in Axialrichtung des Wellgetriebes gemessener Axialversatz gegeben, welcher mindestens ein Viertel der Breite des Außenrings des Wellgenerators und weniger als die Hälfte der Breite der Verzahnungen beträgt. Die genannten Breiten, das heißt Außenringbreite und Verzahnungsbreite, sind in Axialrichtung des Wellgetriebes gemessen. In Axialrichtung ist in der beschriebenen Ausgestaltung zwar ein Versatz, jedoch auch eine Überlappung zwischen dem Außenring des Wellgenerators einerseits und den Verzahnungen der Getriebeelemente andererseits gegeben.
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Das flexible Getriebeelement ist vorzugsweise topfförmig gestaltet. Hierbei schließt sich an einen zylindrischen, verformbaren Abschnitt des Getriebeelementes ein nicht notwendigerweise geschlossener Boden an, welcher in einer zur Rotationsachse des Wellgetriebes normalen Ebene liegt. Dieser Boden ist mit einem Abtriebselement des Wellgetriebes verbindbar und kann zusätzlich zum zylindrischen Abschnitt signifikant elastisch nachgiebig sein. Die Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes ist vorzugsweise am offenen, dem Bodenabgewandten Ende des zylindrischen Abschnitts angeordnet, während die Außenoberfläche des zylindrischen Abschnitts im Übrigen unverzahnt ist. Das gesamte flexible Getriebeelement einschließlich der Außenverzahnung ist rationell als spanlos umformbares Blechteils hergestellt. Zur Herstellung des starren, innenverzahnten Getriebebauteils kommen insbesondere spanabhebende Bearbeitungsverfahren in Betracht.
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Der Wellgenerator des Wellgetriebes weist ein Lager auf, welches prinzipiell entweder als Gleitlager oder als Wälzlager gestaltet sein kann. Im Fall eines Wälzlagers handelt es sich bei dem Außenring des Wellgenerators um einen Lagerring, auf welchem Wälzkörper abrollen. In jedem Fall ist der Außenring des Wellgenerators als nachgiebiges Element gestaltet. Sofern das Lager des Wellgenerators als Wälzlager ausgebildet ist, kann es sich hierbei insbesondere um ein Kugellager, beispielsweise ein einreihiges Rillenkugellager, handeln. Alternativ kann es sich bei dem Lager des Wellgenerators beispielsweise um ein Nadellager handeln. Das Wellgetriebe ist Teil eines Stellgetriebes eines Kraftfahrzeugs. Beispielsweise handelt es sich hierbei um ein Getriebe zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors. Ebenso ist das Wellgetriebe als Stellgetriebe in einem elektrischen Nockenwellenversteller einer Brennkraftmaschine geeignet.
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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 schematischen Schnittdarstellung,
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2 ein Detail des Wellgetriebes mit verformtem flexiblen Getriebebauteil in überhöhter Darstellung.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Wellgetriebe ist zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Ein als Hohlrad ausgebildetes starres Getriebebauteil 2 ist hierbei fest mit einem Zylinderblock der Brennkraftmaschine verbunden. Das Bezugszeichen 3 kennzeichnet eine Welle, nämlich Exzenterwelle, die als Ausgangselement des Wellgetriebes 1 fungiert und mit einem Nebenpleuel des Kurbeltriebs der Brennkraftmaschine zusammenwirkt.
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Ein Verzahnungsbereich 4 des Wellgetriebes 1 stellt eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem starren Getriebebauteil 2 und einem flexiblen Getriebebauteil 5 dar.
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Zur Verformung des flexiblen Getriebebauteils 5 beim Betrieb des Wellgetriebes 1 ist ein Wellgenerator 6 vorgesehen. Die Rotationsachse des Wellgenerators 6 ist mit der mit R bezeichneten Rotationsachse der Exzenterwelle 3 und damit des gesamten Wellgetriebes 1 identisch. Der Wellgenerator 6 weist ein Wälzlager 7, nämlich Kugellager, auf, welches einen Innenring 8, einen Außenring 9, sowie zwischen den Lagerringen 8, 9 abrollende Wälzkörper 10, nämlich Kugeln, umfasst. Hierbei ist der Innenring 8 in sich starr, während der Außenring 9 verformbar ist. Der Innenring 8 weist eine elliptische Form auf, die sich über die Kugeln 10 auf den Außenring 9 überträgt. Der Außenring 9 kontaktiert einen mit 11 bezeichneten zylindrischen Abschnitt des flexiblen Getriebebauteils 5. An den zylindrischen Abschnitt 1 schließt sich ein Boden 12 des flexiblen Getriebebauteils 5 an, welcher fest mit der Exzenterwelle 3 verbunden ist. Das flexible Getriebebauteil 5 weist damit insgesamt eine Topform auf.
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Angrenzend an die dem Boden 12 abgewandte Stirnseite des zylindrischen Abschnitts 11 weist dieser eine Außenverzahnung 13 auf, welche partiell mit einer Innenverzahnung 14 des starren Getriebebauteils 2 kämmt. Durch die elliptische Form des Innenrings 8 befindet sich hierbei die Außenverzahnung 13 lediglich in zwei diametral gegenüberliegenden Bereichen im Eingriff mit der Innenverzahnung 14, während in den dazwischenliegenden, weitaus ausgedehnteren Bereichen die Außenverzahnung 13 des flexiblen Getriebebauteils 5 von der Innenverzahnung 14 des starren Getriebebauteils 2 abgehoben ist. Eine geringfügig unterschiedliche Zähnezahl zwischen der Außenverzahnung 13 einerseits und der Innenverzahnung 14 andererseits sorgt dafür, dass sich der zylindrische Abschnitt 11 und mit diesem das gesamte flexible Getriebebauteil 5 und die Exzenterwelle 3 bei einer vollen Umdrehung des Innenrings 8 geringfügig gegenüber dem starren Getriebebauteil 2 verdreht. Das Wellgetriebe 1 stellt damit ein hochuntersetztes Stellgetriebe dar. Der Innenring 8 des Wellgenerator 6 ist in nicht dargestellter Weise durch einen Elektromotor angetrieben.
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Durch die elliptische Form des Innenrings 8 kommt es in gewünschter Weise zu einer Aufweitung des flexiblen Getriebebauteils 5 welche, wie in 2 überhöht dargestellt, mit einer teilweisen Konizität des flexiblen Getriebebauteils 5 einhergeht. Diese Konizität bedeutet, dass die Verzahnungen 13, 14 des flexiblen Getriebebauteils 5 beziehungsweise des starren Getriebebauteils 2 nicht ideal parallel zueinander – bezogen auf die Schnitte nach den 1 und 2 – angeordnet sind. Wie aus den Figuren hervorgeht, steht der mit der Außenverzahnung 13 versehene Bereich des zylindrischen Abschnitts 11 in Axialrichtung – bezogen auf die Rotationsachse R – stirnseitig über den Wellgenerator 6, insbesondere über dessen Außenring 9, hinaus. Der zylindrische Abschnitt 11 ist somit an seiner dem Boden 12 abgewandten Stirnseite nicht radial von innen abgestützt, wodurch in diesem Bereich eine gezielte radiale Nachgiebigkeit gegenüber dem Außenring 9 des Wellgenerators 6 gegeben ist. Aufgrund dieser Nachgiebigkeit kommt es beim Betrieb des Wellgetriebes 1 zu stirnseitigen Verformungen des zylindrischen Abschnitts 11, welche zur Anpassung der Lage der Außenverzahnung 13 an die Innenverzahnung 14 maßgeblich beitragen.
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Die beschriebene Verformbarkeit des stirnseitigen, mit der Außenverzahnung 13 versehenen Bereichs des zylindrischen Abschnitts 11 des flexiblen Getriebebauteils 5 wird durch einen mit VA bezeichneten Axialversatz zwischen dem Verzahnungsbereich 4 und dem Außenring 9 und damit dem gesamten Wellgenerator 6 erreicht. In 2 ist mit BV die Verzahnungsbreite, das heißt die Breite des Verzahnungsbereiches 4 und mit BL die Lagerbreite, das heißt die Breite des Außenrings 9, welche als Breite des Wellgenerators 6 definiert ist, bezeichnet. Eine mittig durch die Verzahnungen 13, 14 gelegte Ebene ist als Verzahnungsebene EV, eine mittig durch das Wälzlager 7 des Wellgenerators 6 gelegte Ebene mit EL bezeichnet. Der Abstand zwischen den zueinander parallelen Ebenen EL und EV entspricht dem Axialversatz Va.
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Wie aus 2 weiter hervorgeht, ist der Axialversatz Va geringer als die Verzahnungsbreite BV und auch geringer als die halbe Lagerbreite BL. Gleichzeitig ist der Axialversatz Va in der dargestellten Ausführungsform größer als ein Viertel der Lagerbreite BL, welcher der Breite des Außenrings 9 entspricht. Mit DW ist der Durchmesser der Wälzkörper 10 bezeichnet. Die Lagerebene EL ist mittig durch die Wälzköper 10 gelegt und schneidet die Außenverzahnung 13 des flexiblen Getriebebauteils 5 sowie die Innenverzahnung 14 des starren Getriebebauteils 2. Der Axialversatz Va ist im vorliegenden Fall geringer als der Wälzkörperdurchmesser DW, jedoch größer als der halbe Wälzkörperdurchmesser DW, das heißt der Radius der Kugeln 10. Der in Axialrichtung gemessene Abstand zwischen dem Boden 12 des flexiblen Getriebebauteils 5 und der Außenverzahnung 13 dieses Getriebebauteils ist geringer als die Verzahnungsbreite BV. Ebenso ist der in derselben Richtung, das heißt längs der Rotationsachse R, gemessene Abstand zwischen dem Boden 12 und den Lagerringen 8, 9 des Wälzlagers 7 größer als die Verzahnungsbreite BV.
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Dadurch, dass das Wälzlager 7 des Wellgenerators 6 von der offenen Stirnseite des flexiblen Getriebebauteils 5 aus nach innen, das heißt zum Boden 12 hin, versetzt ist, ist an der dem Boden 12 abgewandten Stirnseite des flexiblen Getriebebauteils 5 freier Bauraum gebildet, welcher für Antriebskomponenten des Wellgenerators 6, insbesondere elektrische Antriebskomponenten, nutzbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Hohlrad, starres Getriebeelement
- 3
- Welle, Exzenterwelle
- 4
- Verzahnungsbereich
- 5
- flexibles Getriebeelement
- 6
- Wellgenerator
- 7
- Wälzlager
- 8
- Innenring
- 9
- Außenring
- 10
- Wälzkörper, Kugel
- 11
- zylindrischer Abschnitt
- 12
- Boden
- 13
- Außenverzahnung
- 14
- Innenverzahnung
- BV
- Verzahnungsbreite
- BL
- Lagerbreite
- DW
- Wälzkörperdurchmesser
- EL
- Lagerebene
- EV
- Verzahnungsebene
- Va
- Axialversatz
