DE102016217055B4

DE102016217055B4 - Getriebe mit elastischem Zahnrad

Info

Publication number: DE102016217055B4
Application number: DE102016217055.4A
Authority: DE
Inventors: Bastian Hain; Peter Zierer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2023-08-24
Anticipated expiration: 2036-09-09
Also published as: JP6820321B2; CN107923510A; WO2017041802A1; DE102016217055A1; US11226027B2; US20180306299A1; CN107923510B; JP2018530715A

Abstract

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.

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 der EP 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 aus US 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 au-ßen 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 äu-ßere 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 und DE 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 nach 1,
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 bis 4 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Getriebes, welches als Wellgetriebe ausgebildet ist und ein elastisches Zahnrad 2 aufweist. Das Getriebe 1 ist als hoch untersetztes Getriebe Teil eines elektrischen Nockenwellenverstellers einer Brennkraftmaschine. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Getriebes 1 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 Antriebsrad 3 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 Antriebsrades 3 wird mit Hilfe von Bolzen 4, die im Antriebsrad 3 befestigt sind, praktisch spielfrei, was die Umfangsrichtung betrifft, auf das elastische Zahnrad 2 übertragen. Das Zahnrad 2 weist zu diesem Zweck längliche Ausnehmungen 5 auf, welche sich in Radialrichtung des Zahnrades 2 und damit des gesamten Getriebes 1 erstrecken. Schraubenköpfe 6 der Bolzen 4 dienen zum einen dem Einschrauben der Bolzen 4 in ein Gehäusebauteil 7, welches einteilig mit dem Antriebsrad 3 ausgebildet sein kann, und zum anderen der verliersicheren Halterung des Zahnrades 2 am Gehäusebauteil 7.
Die insgesamt mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnete Verbindungsanordnung zwischen dem Zahnrad 2 und dem Gehäusebauteil 7 des Getriebes 1 ist derart gestaltet, dass lediglich ein mit S₁ bezeichnetes Spiel in Axialrichtung, bezogen auf die mit M bezeichnete Mittelachse des Zahnrades 2, sowie mit S₂ und S₃ bezeichnetes Spiel in Radialrichtung existiert. Auf diese Weise können Verformungen des elastischen Zahnrads 2 aufgenommen werden.
Die Verformungen des elastischen Zahnrades 2 entstehen durch einen mit 9 bezeichneten Wellgenerator, welcher einen mit 12 bezeichneten Außenring sowie einen elliptischen Innenring 10 aufweist. Der in 1 übertrieben dick dargestellte Außenring 12 passt sich in jedem Betriebszustand der elliptischen Form des Innenrings 10 an. Das elastische Zahnrad 2 wiederum umgibt direkt den Außenring 12 unter Anpassung an dessen nicht kreisrunde Form. Zwischen den Lagerringen 10, 12, das heißt dem Innenring 10 und dem Außenring 12, des Wellgenerators 9 rollen Kugeln 11 als Wälzkörper ab. Der ein elliptische Form annehmende Außenring 12 drückt das elastische Zahnrad 2 an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen gegen ein innenverzahntes Abtriebsrad 13. Dieses wiederum ist drehfest verbunden mit einer Abtriebswelle 14, 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 Abschnitt 16 auf, wobei sich die Ausnehmungen 5 im Abschnitt 16 befinden. Im Fall von 1 wird der Innenring 10 des Wellgenerators 9 durch eine nicht dargestellte, elektrisch betriebene Antriebsvorrichtung in Rotation versetzt. Bei der den Innenring 10 antreibenden Welle handelt es sich um eine Stellwelle; beim Getriebe 1 insgesamt um ein Dreiwellengetriebe.
Im Ausführungsbeispiel nach 3 ist der Innenring 10 über eine Oldhamkupplung 17, das heißt eine Ausgleichskupplung, durch einen nicht dargestellten Stellmotor antreibbar. Die Oldhamkupplung 17 weist eine Oldhamscheibe 18 auf, wobei Stifte 19 einerseits fest im Innenring 10 gehalten und andererseits verschiebbar in der Oldhamscheibe 18 geführt sind. Das axiale Spiel S₁, welches eine Bewegung des sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitts 16 relativ zum Gehäusebauteil 7 im Bereich der Bolzen 4 ermöglicht, ist in 3 im Detail dargestellt. Ebenso wie im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 ist die Kontur jeder der als Langloch gestaltetem Ausnehmungen 5 vollständig durch den sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitt 16 des Zahnrades 2 gebildet.
Im Unterschied hierzu ist im Ausführungsbeispiel nach 4 jede der länglichen Ausnehmungen 5 auf deren nach außen gerichteter Schmalseite nicht durch den Abschnitt 16 selbst, sondern durch ein gehäusefestes Zahnrad, nämlich das Antriebsrad 3, begrenzt. Die Innenkontur des Antriebsrades 3 ist hierbei in der in 4 erkennbaren Ansicht durchgehend kreisförmig. Im Unterschied hierzu ist die Außenkontur des sich in Radialrichtung erstreckenden Abschnitts 16 des Zahnrades 2 nur partiell kreisförmig. Der sich in Radialrichtung erstreckende Abschnitt 16 liegt somit nur teilweise am Innenumfang des Antriebsrades 3 an. Hierbei ist eine Anlage ausschließlich an konvexen Abschnitten 20 des insgesamt flächigen Abschnitts 16 gegeben. Mittig in jedem konvexen Abschnitt 20 befindet sich genau eine längliche Ausnehmung 5, die in gewünschter Weise die in Umfangsrichtung steife, jedoch in axialer Richtung sowie in radialer Richtung mit Spiel behaftete Kopplung zwischen dem Zahnrad 2 und dem Gehäusebauteil 7 ermöglicht. Zwischen den im Ausführungsbeispiel nach 4 fünf konvexen Abschnitten 20 befinden sich ebenfalls fünf konkave Abschnitte 21, so dass die Außenkontur des stirnseitig sichtbaren Abschnitts 16 des Zahnrads 2 insgesamt eine Sternform beschreibt.
Im Unterschied zur Oldhamkupplung 17 ist die flexible Anbindung des Zahnrades 2 am Gehäusebauteil 7 nicht dazu vorgesehen, insgesamt einen Radialversatz zwischen den miteinander gekoppelten Teilen auszugleichen. Vielmehr ist die Verbindungsanordnung 8, die mit Hilfe der länglichen Ausnehmungen 5 sowie der Bolzen 4 realisiert ist, lediglich dazu vorgesehen, Verformungen des Zahnrads 2 aufzunehmen, ohne nennenswertes Spiel zwischen dem Zahnrad 2 und dem Gehäusebauteil 7 in Umfangsrichtung der genannten Teile zuzulassen. Aufgrund der flexiblen Anbindung des Zahnrades 2 an das Gehäusebauteil 7 braucht das Zahnrad 2 in sich keine wesentlichen Elastizitäten aufzuweisen, die über das Maß hinausgehen, welches für die Funktion des Wellgenerators 9 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

Claims

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.