DE102016217055A1 - Getriebe mit elastischem Zahnrad - Google Patents
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Abstract
Ein Getriebe (1), insbesondere Wellgetriebe, weist ein elastisches Zahnrad (2) auf, welches an einem Gehäusebauteil (7) gehalten ist, wobei die Verbindung zwischen Zahnrad (2) und Gehäusebauteil (7) in Umfangsrichtung spielarm und zugleich in axialer Richtung sowie in radialer Richtung, jeweils bezogen auf die Mittelachse (M), das heißt Rotationsachse, des Zahnrads (2), in größerem Maße spielbehaftet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein ein elastisches Zahnrad aufweisendes Getriebe, insbesondere Wellgetriebe für einen elektrischen Nockenwellenversteller oder für eine Vorrichtung zur Verdichtungsverstellung (VCR = Variable Compression Ratio) einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Ein Getriebe, welches ein elastisches Zahnrad aufweist, ist beispielsweise aus der
EP 0 741 256 B1 bekannt. Ein weiteres Getriebe mit einem nachgiebigen Zahnrad, in diesem Fall als flexibles Becher-Element bezeichnet, ist in derEP 0514 829 B1 offenbart. In beiden Fällen weist das nachgiebige Zahnrad, das die Form einer Kragenhülse hat, einen dicken Nabenbereich auf, welcher an einem Gehäusebauteil des Getriebes befestigbar ist. Die Nachgiebigkeit des Zahnrads wird durch Bereiche dünnen Querschnitts innerhalb des Zahnrads erreicht. Die bekannten Getriebe sollen in kleinen Robotern oder Präzisionsmaschinen einsetzbar sein. Ein gattungsgemäßes Getriebe geht ausUS 4,619,156 hervor. Das dort gezeigte elastische Zahnrad weist einen verzahnten Abschnitt und einen Abschnitt zur Anbindung an ein Gehäusebauteil auf, wobei die beiden Abschnitte durch einen ringförmigen Balg verbunden sind. Der ringförmige nimmt die Verformungsbelastungen auf, erfordert aber einen anderen Werkstoff, erschwert damit die Herstellung und ist besonders in den Kontaktbereichen zu den anderen beiden Abschnitten hoch belastet. Die stoff- oder kraftschlüssige Verbindung begrenzt das übertragbare Drehmoment und die Lebensdauer. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe mit elastischem Zahnrad, insbesondere Wellgetriebe, gegenüber den genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei das Getriebe insbesondere als Untersetzungsgetriebe in einem elektrischen Nockenwellenversteller einer Brennkraftmaschine verwendbar sein und hierbei einen kompakten Aufbau mit zuverlässiger Funktion verbinden soll.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieses mindestens ein elastisches Zahnrad aufweisende Getriebe umfasst ein Gehäusebauteil, an welchem das elastische Zahnrad gehalten ist, wobei das Zahnrad am Gehäusebauteil mittels einer Verbindungsanordnung angebunden ist, welche in Umfangsrichtung steif, das heißt zumindest annähernd spielfrei, und zugleich in axialer Richtung sowie in radialer Richtung, jeweils bezogen auf die Mittelachse des Zahnrades, im Vergleich zur Anbindung in Umfangsrichtung in größerem Maße spielbehaftet ist.
- Das mit richtungsabhängigem Spiel am Gehäuse gehaltene elastische Zahnrad weist in bevorzugten Ausgestaltungen einen zylindrischen, verzahnten Abschnitt sowie einen an diesen anschließenden, sich in Radialrichtung erstreckenden, am Gehäusebauteil gehaltenen Abschnitt auf. Bei der Verzahnung des zylindrischen Abschnitts handelt es sich vorzugsweise um eine Außenverzahnung, die mit einer gehäusefesten Innenverzahnung des Getriebes kämmt. Das aus zwei Abschnitten, nämlich einem zylindrischen und einem flächigen, ringförmigen Abschnitt gebildete elastische Zahnrad wird auch als Winkelring bezeichnet, wobei der flächige, nach außen gerichtete Abschnitt einen Flansch des elastischen Zahnrades darstellt.
- Der sich in Radialrichtung erstreckende, im Wesentlichen in einer einzigen Ebene liegende Abschnitt des elastischen Zahnrades kann mit Formschluss, insbesondere mit Hilfe von Bolzen, am Gehäusebauteil gehalten sein, wobei jeder Bolzen in einem Langloch des genannten Abschnitts des Zahnrades geführt ist. Die Wandstärke des elastischen Zahnrades kann in dessen beiden Abschnitten entweder im Wesentlichen gleich oder unterschiedlich sein, wobei es nicht erforderlich ist, gezielte Materialschwächungen zur Herstellung einer Nachgiebigkeit in axialer Richtung einzubringen. Das elastische Zahnrad kann Teil eines Topfgetriebes sein.
- Die Konturen der Langlöcher, durch welche jeweils ein gehäusefester Bolzen gesteckt ist, können komplett innerhalb des sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitts des elastischen Zahnrades liegen. Ebenso ist es möglich, dass die Langlöcher durch nach außen offene Schlitze des flachen, sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitts gebildet sind. In diesem Fall ist jedes Langloch auf dessen Schmalseiten einerseits, nämlich auf der radial inneren Seite, durch den sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitt selbst und andererseits, nämlich radial nach außen, durch ein unelastisches Zahnrad des Getriebes begrenzt. Insbesondere kann es sich bei dem letztgenannten Zahnrad um ein mittels eines Zugmittels antreibbares Antriebsrad des Getriebes handeln. Dieses Antriebsrad kann mit einem Gehäusebauteil des Getriebes fest verbunden oder integraler Bestandteil des Getriebegehäuses sein.
- Unabhängig davon, ob die Konturen der Langlöcher komplett oder nur teilweise durch den sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitt des elastischen Zahnrades gebildet sind, beschreibt der äußere Rand des sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitts in vorteilhafter Ausgestaltung nur partiell eine Kreisform. Hierbei weist der äußere Rand gemäß einer möglichen Ausgestaltung alternierend konkave und konvexe Abschnitte auf. Durch die abwechselnd konkaven und konvexen Abschnitte des äußeren Randes des sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitts des elastischen Zahnrads weist dieses, in Axialrichtung betrachtet, eine abgerundete Sternform auf. Durch die konkaven Abschnitte sind auf der Stirnseite des elastischen Zahnrads Flächenbereiche freigegeben, welche beispielsweise zur Anbringung von Befestigungselementen nutzbar sind.
- Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch die Entkopplung eines elastischen Zahnrades eines Getriebes gegenüber dem Getriebegehäuse ausschließlich in axialer und radialer Richtung eine besonders hohe Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Übertragung von Drehbewegungen erreicht ist, wobei Verformungen des Zahnrades in radialer Richtung ungehindert möglich sind. Das Getriebe ist sowohl für elektrische Nockenwellenversteller als auch für sonstige Verstellvorrichtungen, beispielsweise Vorrichtungen zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses in einer Brennkraftmaschine, geeignet.
- Das anmeldungsgemäße Getriebe ist besonders zur Verwendung in einem elektrischen Nockenwellenversteller mit elektrisch angetriebener Stellwelle geeignet. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente
DE 10 2013 220 220 A1 undDE 10 2013 220 221 A1 verwiesen. In einer weiteren Anwendung ist das Getriebe Teil einer Verstellvorrichtung zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine vorgesehen. - Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise schematisiert:
-
1 ausschnittsweise ein erstes Ausführungsbeispiel eines in einem elektrischen Nockenwellenversteller verwendbaren Getriebes mit elastischem Zahnrad, -
2 eine stirnseitige Detailansicht des elastischen Zahnrades des Getriebes nach1 , -
3 in einer Schnittdarstellung sowie einem vergrößerten Ausschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Getriebes, nämlich Wellgetriebes, mit elastischem Zahnrad, -
4 in einer stirnseitigen Ansicht sowie einem vergrößerten Ausschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Getriebes mit elastischem Zahnrad. - Die
1 bis4 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines insgesamt mit dem Bezugszeichen1 gekennzeichneten Getriebes, welches als Wellgetriebe ausgebildet ist und ein elastisches Zahnrad2 aufweist. Das Getriebe1 ist als hoch untersetztes Getriebe Teil eines elektrischen Nockenwellenverstellers einer Brennkraftmaschine. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Getriebes1 wird auf den zitierten Stand der Technik verwiesen. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. - Das Getriebe
1 weist ein Antriebsrad3 auf, welches über ein nicht dargestelltes Zugmittel, das heißt einen Riemen oder eine Kette, von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, das heißt eines Otto- oder Dieselmotors, angetrieben wird. Die Drehbewegung des Antriebsrades3 wird mit Hilfe von Bolzen4 , die im Antriebsrad3 befestigt sind, praktisch spielfrei, was die Umfangsrichtung betrifft, auf das elastische Zahnrad2 übertragen. Das Zahnrad2 weist zu diesem Zweck längliche Ausnehmungen5 auf, welche sich in Radialrichtung des Zahnrades2 und damit des gesamten Getriebes1 erstrecken. Schraubenköpfe6 der Bolzen4 dienen zum einen dem Einschrauben der Bolzen4 in ein Gehäusebauteil7 , welches einteilig mit dem Antriebsrad3 ausgebildet sein kann, und zum anderen der verliersicheren Halterung des Zahnrades2 am Gehäusebauteil7 . - Die insgesamt mit dem Bezugszeichen
8 gekennzeichnete Verbindungsanordnung zwischen dem Zahnrad2 und dem Gehäusebauteil7 des Getriebes1 ist derart gestaltet, dass lediglich ein mit S1 bezeichnetes Spiel in Axialrichtung, bezogen auf die mit M bezeichnete Mittelachse des Zahnrades2 , sowie mit S2 und S3 bezeichnetes Spiel in Radialrichtung existiert. Auf diese Weise können Verformungen des elastischen Zahnrads2 aufgenommen werden. - Die Verformungen des elastischen Zahnrades
2 entstehen durch einen mit9 bezeichneten Wellgenerator, welcher einen mit12 bezeichneten Außenring sowie einen elliptischen Innenring10 aufweist. Der in1 übertrieben dick dargestellte Außenring12 passt sich in jedem Betriebszustand der elliptischen Form des Innenrings10 an. Das elastische Zahnrad2 wiederum umgibt direkt den Außenring12 unter Anpassung an dessen nicht kreisrunde Form. Zwischen den Lagerringen10 ,12 , das heißt dem Innenring10 und dem Außenring12 , des Wellgenerators9 rollen Kugeln11 als Wälzkörper ab. Der ein elliptische Form annehmende Außenring12 drückt das elastische Zahnrad2 an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen gegen ein innenverzahntes Abtriebsrad13 . Dieses wiederum ist drehfest verbunden mit einer Abtriebswelle14 , welche mit einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine identisch oder fest verbunden sein kann. - In allen Ausführungsbeispielen weist das elastische Zahnrad einen zylindrischen, verzahnten Abschnitt
15 sowie einen an diesen anschließenden, sich in Radialrichtung nach außen erstreckenden Abschnitt16 auf, wobei sich die Ausnehmungen5 im Abschnitt16 befinden. Im Fall von1 wird der Innenring10 des Wellgenerators9 durch eine nicht dargestellte, elektrisch betriebene Antriebsvorrichtung in Rotation versetzt. Bei der den Innenring10 antreibenden Welle handelt es sich um eine Stellwelle; beim Getriebe1 insgesamt um ein Dreiwellengetriebe. - Im Ausführungsbeispiel nach
3 ist der Innenring10 über eine Oldhamkupplung17 , das heißt eine Ausgleichskupplung, durch einen nicht dargestellten Stellmotor antreibbar. Die Oldhamkupplung17 weist eine Oldhamscheibe18 auf, wobei Stifte19 einerseits fest im Innenring10 gehalten und andererseits verschiebbar in der Oldhamscheibe18 geführt sind. Das axiale Spiel S1, welches eine Bewegung des sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitts16 relativ zum Gehäusebauteil7 im Bereich der Bolzen4 ermöglicht, ist in3 im Detail dargestellt. Ebenso wie im Ausführungsbeispiel nach den1 und2 ist die Kontur jeder der als Langloch gestaltetem Ausnehmungen5 vollständig durch den sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitt16 des Zahnrades2 gebildet. - Im Unterschied hierzu ist im Ausführungsbeispiel nach
4 jede der länglichen Ausnehmungen5 auf deren nach außen gerichteter Schmalseite nicht durch den Abschnitt16 selbst, sondern durch ein gehäusefestes Zahnrad, nämlich das Antriebsrad3 , begrenzt. Die Innenkontur des Antriebsrades3 ist hierbei in der in4 erkennbaren Ansicht durchgehend kreisförmig. Im Unterschied hierzu ist die Außenkontur des sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitts16 des Zahnrades2 nur partiell kreisförmig. Der sich in Radialrichtung erstreckende Abschnitt16 liegt somit nur teilweise am Innenumfang des Antriebsrades3 an. Hierbei ist eine Anlage ausschließlich an konvexen Abschnitten20 des insgesamt flächigen Abschnitts16 gegeben. Mittig in jedem konvexen Abschnitt20 befindet sich genau eine längliche Ausnehmung5 , die in gewünschter Weise die in Umfangsrichtung steife, jedoch in axialer Richtung sowie in radialer Richtung mit Spiel behaftete Kopplung zwischen dem Zahnrad2 und dem Gehäusebauteil7 ermöglicht. Zwischen den im Ausführungsbeispiel nach4 fünf konvexen Abschnitten20 befinden sich ebenfalls fünf konkave Abschnitte21 , so dass die Außenkontur des stirnseitig sichtbaren Abschnitts16 des Zahnrads2 insgesamt eine Sternform beschreibt. - Im Unterschied zur Oldhamkupplung
17 ist die flexible Anbindung des Zahnrades2 am Gehäusebauteil7 nicht dazu vorgesehen, insgesamt einen Radialversatz zwischen den miteinander gekoppelten Teilen auszugleichen. Vielmehr ist die Verbindungsanordnung8 , die mit Hilfe der länglichen Ausnehmungen5 sowie der Bolzen4 realisiert ist, lediglich dazu vorgesehen, Verformungen des Zahnrads2 aufzunehmen, ohne nennenswertes Spiel zwischen dem Zahnrad2 und dem Gehäusebauteil7 in Umfangsrichtung der genannten Teile zuzulassen. Aufgrund der flexiblen Anbindung des Zahnrades2 an das Gehäusebauteil7 braucht das Zahnrad2 in sich keine wesentlichen Elastizitäten aufzuweisen, die über das Maß hinausgehen, welches für die Funktion des Wellgenerators9 erforderlich ist. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Getriebe
- 2
- Zahnrad
- 3
- Antriebsrad
- 4
- Bolzen
- 5
- Ausnehmung, Langloch
- 6
- Schraubenkopf
- 7
- Gehäusebauteil
- 8
- Verbindungsanordnung
- 9
- Wellgenerator
- 10
- Innenring
- 11
- Kugel
- 12
- Außenring
- 13
- Antriebsrad
- 14
- Antriebswelle
- 15
- zylindrischer, verzahnter Abschnitt
- 16
- sich in Radialrichtung nach außen erstreckender Abschnitt
- 17
- Oldhamkupplung
- 18
- Oldhamscheibe
- 19
- Stift
- 20
- konvexer Abschnitt
- 21
- konkaver Abschnitt
- M
- Mittelachse
- S1
- Spiel in axialer Richtung
- S2, S3
- Spiel in radialer Richtung
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
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- EP 0514829 B1 [0002]
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- DE 102013220220 A1 [0010]
- DE 102013220221 A1 [0010]
Claims (8)
- Getriebe (
1 ) mit – einem Gehäusebauteil (7 ), – einem elastischen Zahnrad (2 ), das einen zylindrischen, verzahnten Abschnitt (15 ) sowie einen an diesen anschließenden, sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitt (16 ) aufweist, – einer Verbindungsanordnung (8 ), die den sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitt (16 ) am Gehäusebauteil (7 ) so haltert, dass das elastische Zahnrad (2 ) in axialer Richtung sowie in radialer Richtung, jeweils bezogen auf seine Mittelachse (M), spielbehaftet ist und in Umfangsrichtung am Gehäusebauteil (7 ) gehalten ist. - Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (
16 ) nach radial außen weist. - Getriebe (
1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in Radialrichtung erstreckende Abschnitt (16 ) mit Hilfe von Bolzen (4 ) am Gehäusebauteil (7 ) gehalten ist, wobei jeder Bolzen (4 ) in einer als Langloch (5 ) gestalteten Ausnehmung des genannten Abschnitts (16 ) angeordnet ist. - Getriebe (
1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Langloch (5 ) auf dessen Schmalseiten einerseits durch den sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitt (16 ) selbst und andererseits durch ein unelastisches Zahnrad, insbesondere Antriebsrad (3 ), begrenzt ist. - Getriebe (
1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rand des sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitts (16 ) partiell eine Kreisform beschreibt. - Getriebe (
1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rand alternierend konkave Abschnitte (21 ) und konvexe Abschnitte (20 ) aufweist. - Getriebe (
1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rand jeweils eine ungerade Anzahl konkaver und konvexer Abschnitte (21 ,20 ) aufweist. - Verwendung eines Getriebes (
1 ) nach Anspruch 1 als Untersetzungsgetriebe in einem elektrischen Nockenwellenversteller oder einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine.
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