-
Die Erfindung betrifft eine zum Ausgleich eines Achsversatzes zwischen rotierenden Bauteilen vorgesehene Ausgleichskupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Eine derartige Ausgleichskupplung ist beispielsweise aus der
DE 198 57 248 C2 bekannt. Es handelt sich hierbei um eine Kreuzscheibenkupplung zum Verbinden von zwei Wellenenden mittels einer Kreuzscheibe über ein Nut-Federsystem, wobei in den Stirnseiten der Kreuzscheibe Radialnuten ausgespart sind. Durch die Radialnuten sind Koppelflächen gebildet, welche die Übertragung eines Drehmoments ermöglichen und zugleich einen axialen Versatz zwischen Kreuzscheibe und Welle zulassen.
-
Die
DE 199 09 931 A1 offenbart eine Kupplung zum Verbinden zweier drehbeweglicher Wellenenden, wobei ein Kupplungselement mit beiden Wellenenden formschlüssig und zugleich gelenkig verbunden ist. Das Kupplungselement weist zwei fest miteinander verbundene, parallel zueinander angeordnete Bolzen auf, welche jeweils in ein Wellenende eingreifen.
-
Ausgleichskupplungen in Form von Oldham-Kupplungen sind unter anderem in elektrischen Nockenwellenverstellern verwendbar. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente
DE 10 2007 051 475 A1 und
DE 10 2007 049 072 A1 verwiesen. Im letztgenannten Fall ist eine Oldham-Scheibe der Ausgleichskupplung aus Kunststoff gefertigt. In die Oldham-Scheibe greift ein zweiflügliges Antriebselement ein, welches fest mit einer Abtriebswelle eines Aktuators verbunden ist. Eine gattungsgemäße Ausgleichskupplung ist aus
DE 10 2014 219 364 A1 bekannt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik insbesondere unter fertigungstechnischen Aspekten sowie hinsichtlich des Bauraumbedarfs sowie der Trägheitsmomente weiterentwickelte, für die Verwendung in einer elektrisch betriebenen Stellvorrichtung geeignete Ausgleichskupplung anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Ausgleichskupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, des Anspruchs 5 oder des Anspruchs 6 gelöst. Die Ausgleichskupplung umfasst ein Ausgleichselement, welches als drehmomentübertragendes Bauteil zwischen einem ersten Maschinen-element und einem zweiten Maschinenelement fungiert. Bei den mittels der Ausgleichskupplung miteinander gekoppelten Maschinenelementen kann es sich um beliebige rotierende Elemente, beispielsweise Wellen, Scheiben oder Ringe handeln. Das Ausgleichselement weist einen Ringkörper auf, welcher beispielsweise topfförmig gestaltet ist. Der Begriff „Ringkörper“ impliziert hierbei nicht zwangsläufig, dass es sich hierbei um ein Element mit kreisrundem Querschnitt handelt. Vielmehr sind auch sonstige, beispielsweise ovale oder eckige, insbesondere polygonförmige, Gestaltungen des Ringkörpers möglich.
-
In jedem Fall ist an den beiden Stirnseiten des Ringkörpers ist jeweils ein zur drehmomentübertragenden Zusammenwirkung mit einem der rotierbaren Maschinenteile vorgesehener Koppelabschnitt ausgebildet. Jeder dieser Koppelabschnitte weist zwei zueinander parallele Koppelflächen auf, wobei alle vier Koppelflächen zueinander parallel sind und mindestens ein Koppelabschnitt als Laschenpaar ausgebildet ist.
-
Der Begriff „Koppelflächen“ impliziert nicht zwangsläufig, dass an diesen Flächen ein drehmomentübertragendes Bauteil anliegt und hierbei eine Kraft überträgt. Ausschlaggebend ist, dass jeder Koppelabschnitt als Ganzes eine drehmomentübertragende Funktion hat. Eine Krafteinleitung in den Koppelabschnitt kann hierbei beispielsweise über Ausnehmungen, welche sich in den Koppelflächen befinden, oder über die Koppelflächen begrenzende Schmalseiten der Koppelabschnitte erfolgen.
-
In bevorzugter Ausgestaltung sind die Koppelflächen der verschiedenen Koppelabschnitte unterschiedlich weit von der Mittelachse des Ringkörpers und damit der gesamten Ausgleichskupplung entfernt. Ist lediglich einer Koppelabschnitte als Laschenpaar ausgebildet, so sind die Koppelflächen des Laschenpaars vorzugsweise weiter von der Mittelachse des Ringkörpers entfernt als die Koppelflächen des anderen Koppelabschnitts. Durch die unterschiedlichen Hebelarmlängen, mit welchen ein Drehmoment zwischen dem Ausgleichselement und den verschiedenen Maschinenelementen übertragen wird, werden die Maschinenelemente, welche durch die Ausgleichskupplung miteinander gekoppelt sind, in unterschiedlicher Weise mechanisch belastet. Dies begünstigt eine beanspruchungsgerechte, auf die Gestaltung der Maschinenelemente abgestimmte Konstruktion der Ausgleichskupplung.
-
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Koppelflächen beider Koppelabschnitte jeweils als Laschenpaar ausgebildet. Hierbei kann durch die Koppelflächen sowie durch einen zwischen den Koppelflächen angeordneten Abschnitt des ersten Maschinenelementes, nämlich einer Welle, ein Stift gesteckt sein, welcher eine gelenkige Verbindung zwischen der Welle und dem Ausgleichselement herstellt. Bohrungen in dem Laschenpaar sowie die Mantelfläche des Stiftes stellen hierbei Flächen bereit, welche zur Drehmomentübertragung zwischen den Maschinenelementen nutzbar sind. Der Stift überträgt das Drehmoment unmittelbar auf die als erstes Maschinenelement vorgesehene Welle, bei welcher es sich um eine Motorwelle eines Elektromotors handeln kann.
-
Statt mit Hilfe eines einzigen Stiftes, welcher durch die beiden Laschen des ersten Koppelabschnitts sowie durch die Welle, das heißt das erste Maschinenelement, gesteckt ist, kann auch auf sonstige Weise eine gelenkige und zugleich zur Übertragung eines Drehmoments geeignete Kopplung zwischen dem ersten Maschinenelement und dem Ausgleichselement hergestellt sein. Beispielsweise können Konturen, etwa in Form von Erhebungen, Vertiefungen oder Ausnehmungen, welche unmittelbar durch die beiden Laschen des ersten Laschenpaars gebildet sind, unmittelbar mit Gegenkonturen, welche durch das erste Maschinenelement gebildet sind, zusammenwirken. In allen Fällen kann der Winkelbereich, innerhalb dessen das Ausgleichselement gegenüber dem ersten Maschinenelement kippbar ist, durch Anschläge begrenzt sein. Derartige Anschläge, welche eine Kippwinkelbegrenzung darstellen, können zum Beispiel dadurch gebildet sein, dass ein Abschnitt des ersten Maschinenelementes spielbehaftet in eine zentrale Ausnehmung im Ausgleichselement eingreift. Die Koppelflächen, welche insbesondere durch ein Laschenpaar gebildet sind, befinden sich hierbei radial außerhalb der zentralen Ausnehmung des Ausgleichselementes.
-
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist lediglich einer der beiden Koppelabschnitte als Laschenpaar ausgebildet und der andere Koppelabschnitt durch einen Kragen gebildet, welcher die Umrandung eines Langlochs darstellt. Ein Endabschnitt eines der Maschinenelemente greift hierbei in das Langloch ein. Durch die Zusammenwirkung des Maschinenelementes mit dem Langloch ist eine gelenkige Verbindung zwischen dem Maschinenelement und dem Ausgleichselement ohne Zusatzelement, etwa in Form eines Bolzens oder gesonderter Lagerelemente, realisierbar.
-
In einer dritten Ausführungsform ist der Koppelabschnitt, welcher sich auf derjenigen Stirnseite des Ausgleichselementes befindet, welche der mit Hilfe eines Stiftes oder eines Langloches verwirklichten gelenkigen Verbindung zu einem der Maschinenelemente, insbesondere zu einer Welle, abgewandt ist, ballig ausgebildet. In einer Seitenansicht beschreibt dieser Koppelabschnitt eine Keulenform. Ist der Koppelabschnitt als Laschenpaar ausgebildet, so weisen beiden Laschen die gleiche Keulenform auf, wobei die Füße der keulenförmigen Laschen jeweils am Ringkörper fest angeschlossen sind. Die keulenförmigen Koppelflächen sorgen dafür, dass der entsprechende Koppelabschnitt gegenüber dem angeschlossenen Maschinenelement signifikant kippbar ist, wobei die keulenförmigen Laschen in Ausnehmungen des Maschinenelementes eingreifen. Auf diese Weise ist das Ausgleichselement mit geringem Spiel in Umfangsrichtung mit demjenigen Maschinenelement, in welches die keulenförmigen Laschen eingreifen, koppelbar. Zugleich sind die Ausnehmungen in dem Maschinenelement bevorzugt derart gestaltet, dass die keulenförmigen Laschen und mit diesem das gesamte Ausgleichselement nennenswert in Radialrichtung des Maschinenelementes verschiebbar sind. Zusammenfassend bedeutet dies, dass die keulenförmigen Koppelflächen im Maschinenteil in radialer Richtung mit größerem Spiel als in tangentialer Richtung geführt sind. Neben der Kippbarkeit des Ausgleichselementes ist damit ein weiterer geometrischer Freiheitsgrad innerhalb der Ausgleichskupplung gegeben.
-
Das Ausgleichselement ist in rationeller Weise als einstückiges Blechteil herstellbar. Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit kann das Ausgleichselement oberflächengehärtet, zum Beispiel nitrocarburiert, sein. Durch eine elastische Nachgiebigkeit des gesamten Ausgleichselementes können Drehmomentspitzen geglättet werden. Hierbei können insbesondere die keulenförmigen Laschen des zweiten Laschenpaars als Federelemente fungieren.
-
Bei dem Maschinenelement, in welches die keulenförmigen Laschen eingreifen, handelt es sich beispielsweise um einen Innenring eines Wellgenerators eines Wellgetriebes. Der Innenring kann hierbei als Innenring eines Wälzlagers oder als Innenring eines Gleitlagers ausgebildet sein. In beiden Fällen weist der Innenring eine nicht kreisrunde Außenkontur auf, welche beim Betrieb des Wellgetriebes ein elastisches Getriebeelement verformt.
-
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass auf einem antreibenden, ersten Maschinenelement kein gesondertes, etwa zweiflügeliges, Antriebselement befestigt sein muss, um ein Ausgleichselement anzutreiben. Vielmehr ist das Ausgleichselement der Ausgleichskupplung entweder ohne irgendein Zwischenelement oder mit einem Zwischenelement einfachster Bauart, nämlich einem Stift, drehmomentübertragend mit dem ersten Maschinenelement gekoppelt, wobei durch die Kippbarkeit des Ausgleichselementes gegenüber dem Maschinenelement bereits ein Achsversatz in einer ersten Richtung ausgleichbar ist. Ein Achsversatz in einer zweiten, hierzu orthogonalen Richtung kann nicht nur, wie bereits erläutert, durch eine Verschiebbarkeit des zweiten Koppelabschnitts gegenüber dem zweiten Maschinenelement hergestellt sein, sondern zusätzlich oder alternativ auch durch eine Verschiebbarkeit des Ausgleichselementes auf dem Stift oder ähnlichen Koppelelement. Ebenso sind elastische Eigenschaften sowohl des Ausgleichselementes als auch mindestens eines der Maschinenelemente zur Herstellung der gewünschten Ausgleichsfunktion nutzbar. In allen Fällen ist durch die Ausgleichskupplung nicht nur ein Achsversatz, sondern auch ein Winkelfehler zwischen den Rotationsachsen der Maschinenelemente ausgleichbar. Die Ausgleichskupplung zeichnet sich bei einfacher Bauform durch geringe Trägheitsmomente sowie einen einfachen, montagefreundlichen Aufbau aus.
-
Mit der Ausgleichskupplung ist beispielsweise eine Verstellwelle eines Stellgetriebes antreibbar. Bei dem Stellgetriebe handelt es sich zum Beispiel um ein Getriebe eines elektrischen Nockenwellenverstellers oder ein Stellgetriebe einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Hubkolbenmotors. Im letztgenannten Fall wird durch das Stellgetriebe eine exzenterwelle verstellt, die über ein Nebenpleuel mit weiteren Komponenten eines Kurbeltriebs gekoppelt ist.
-
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 in einer Schnittdarstellung eine Ausgleichskupplung ohne Achs- und Winkelversatz,
- 2 in einer Darstellung analog 1 die Ausgleichskupplung mit Achs- und Winkelversatz, in einer ersten Winkelposition dargestellt,
- 3 die Anordnung nach 2 in einer zweiten Winkelposition, senkrecht zur in 2 dargestellten Position,
- 4 ein Ausgleichselement der Ausgleichskupplung nach 1 in perspektivischer Darstellung,
- 5 das Ausgleichselement in nicht gekoppeltem Zustand,
- 6 die Ausgleichskupplung sowie mit der Ausgleichskupplung in raumsparender Anordnung zusammenwirkende Maschinenelemente,
- 7 Komponenten einer alternativen Ausgleichskupplung in Explosionsdarstellung,
- 8 einen Längsschnitt durch eine gegenüber 7 modifizierte Ausgleichskupplung.
-
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf alle Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleich wirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
Bei einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Stellvorrichtung handelt es sich um einen elektrischen Nockenwellenversteller. Die R bezeichnete Rotationsachse der Stellvorrichtung 1 ist mit der Rotationsachse der nicht dargestellten Nockenwelle eines Verbrennungsmotors identisch. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Stellvorrichtung 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
-
Ein Elektromotor 2 weist eine allgemein als Welle 3 bezeichnete Motorwelle auf, welche eine Komponente einer im Folgenden noch näher erläuterten Ausgleichskupplung 5 darstellt. Allgemein wird die Welle 3 als erstes Maschinenelement bezeichnet. Die Ausgleichskupplung 5 ist zum Ausgleich eines Achsversatzes und/oder Winkelfehlers zwischen dem ersten Maschinenelement 3 und einem zweiten Maschinenelement 4 vorgesehen. Beim zweiten Maschinenelement 4 handelt es sich um einen Innenring eines Wellgenerators der Stellvorrichtung 1. Der Innenring 4 weist eine nicht kreisrunde Außenkontur auf und wirkt in an sich bekannter Weise mit einem flexiblen Getriebeelement innerhalb eines Wellgetriebes zusammen.
-
Zentrales Element der Ausgleichskupplung 5 ist ein Kupplungselement 6, welches mit Hilfe eines Stiftes 7 (1 bis 6) oder ohne jedes Zwischenelement (7, 8) beschränkt kippbar mit der Welle 3 gekoppelt ist. Durch ein erstes Laschenpaar 8 (1 bis 6) beziehungsweise durch einen Kragen 19, welcher ein Langloch 20 beschreibt (7) ist ein erster Koppelabschnitt des Kupplungselementes 6 gegeben. Der erste Koppelabschnitt 8, 19 weist zueinander parallele Koppelflächen auf, welche durch die beiden Laschen des Laschenpaares 8 beziehungsweise durch die das Langloch 20 begrenzenden Längsseiten des Kragens 19 gegeben sind. In beiden Fällen schließt der erste Koppelabschnitt 8, 19 an einen flachen Ringkörper 11 des Kupplungselementes 6 an.
-
Auf der dem ersten Koppelabschnitt 8, 19 gegenüberliegenden Stirnseite des Ringkörpers 11 schließt an diesen ein als Laschenpaar ausgebildeter zweiter Koppelabschnitt 14 an. Unabhängig von der Ausgestaltung des ersten Koppelabschnitts 8, 19 wird der zweite Koppelabschnitt 14 als zweites Laschenpaar bezeichnet. Die beiden Laschen des zweiten Laschenpaares 14 sind einstückig an den Rand des Ringkörpers 11 angeformt und erstrecken sich, ebenso wie der erste Koppelabschnitt 8, 19, in Axialrichtung des Kupplungselementes 6. Das zweite Laschenpaar 14 weist in der Seitenansicht (1, 8) eine Keulenform auf und bildet, prinzipiell vergleichbar mit dem ersten Koppelabschnitt 8, 19, zwei zueinander parallele Koppelflächen.
-
Sämtliche Koppelflächen des ersten Koppelabschnitts 8, 19, sowie des zweiten Koppelabschnitts 14 sind zueinander parallel ausgerichtet. Die Koppelflächen des zweiten Koppelabschnitts 14 sind wesentlich weiter von der Rotationsachse R entfernt als die Koppelflächen des ersten Koppelabschnitts 8, 19. Insgesamt weist das Kupplungselement 6 im Wesentlichen eine Topfform auf, welche zum zweiten Koppelabschnitt 14 hin offen ist. In den Fällen von 7 und 8 ist der Topfboden des Ringkörpers 11 mit Ausnahme des Kragens 19 geschlossen, während in der Bauform nach den 1 bis 6 der Boden des Ringkörpers 11 in stärkerem Maße durchbrochen ist. Insbesondere in 4 ist ein Steg 9, welcher den Boden des Ringkörpers 11 darstellt, erkennbar, wobei sich mittig im Steg 9 eine zentrale Ausnehmung 10 befindet. Das erste Laschenpaar 8, welches als erster Koppelabschnitt fungiert, ist aus dem Boden des Ringkörpers 11 herausgeklappt und weist zwei miteinander fluchtende Bohrungen 12 auf.
-
Durch die Bohrungen 12 des Kupplungselementes 6 nach den 1 bis 6 ist ein Stift 7 gesteckt, welcher die Welle 3 durchdringt und die gelenkige Verbindung zwischen dem Kupplungselement 6 und der Welle 3 herstellt. Ein mit 13 bezeichneter verjüngter Fortsatz der Welle 3 greift spielbehaftet in die zentrale Ausnehmung 10 des Kupplungselementes 6 ein, so dass dessen Verkippung gegenüber der Welle 3 begrenzt ist. Ein Achsversatz zwischen den Maschinenelementen 3, 4 ist in 2 mit a bezeichnet. Mit β ist in 5 der Winkel bezeichnet, um welchen das Kupplungselement 6 gegenüber der Welle 3 maximal verkippen kann, wenn die Ausgleichkupplung 5 nicht im Eingriff ist. Der in den 2 und 3 mit α bezeichnete Winkel stellt einen Winkelfehler zwischen der Mittelachse des Innenrings 4 und der Rotationsachse R der Welle 3 dar. Der Winkel β ist derart gewählt, dass er größer als die durch den Winkel α gegebene maximale Verkippung im gekoppelten Zustand der Ausgleichskupplung 5 ist. Andererseits ist der Winkel β klein genug gewählt, um auf einfache Weise eine Vorpositionierung für die Montage der Stellvorrichtung 1 zu ermöglichen.
-
Im Fall von 7 ist der verjüngte Fortsatz 13 der Welle 3 als abgeflachter Endabschnitt der Welle 3, das heißt als Zweiflach, ausgebildet, welcher unmittelbar die als Kontaktflächen fungierenden längsseitigen Wandungen des Langlochs 20 kontaktiert. Eine beschränkte Kippbarkeit des Kupplungselementes 6 gegenüber der Welle 3 ist, wie aus 7 hervorgeht, durch Spiel des verjüngten Fortsatzes 13 innerhalb des Langlochs 20 in einer definierten Richtung gegeben. Abweichend hiervon ist es auch möglich, den Kragen 19 auf die Welle 3 aufzupressen, so dass sich die in 8 gezeigte Anordnung ergibt. In diesem Fall sind signifikante Verlagerungen des Kupplungselementes 6 durch elastische Eigenschaften der Welle 3 oder anderer Komponenten der Stellvorrichtung 1 vorgesehen.
-
Um unabhängig von der Gestaltung des ersten Koppelabschnitts 8, 19 die Verkippbarkeit des zweiten Laschenpaars 14 gegenüber dem zweiten Maschinenelement 4 sicherzustellen, weisen die beiden Laschen des zweiten Laschenpaares 14, das heißt die Koppelflächen des zweiten Koppelabschnitts 14, jeweils ein aufgeweitetes, abgerundetes Ende auf, so dass sich insgesamt die Keulenform des zweiten Koppelabschnitts 14 ergibt. In Umfangsrichtung des zweiten Maschinenelementes 4 ist das zweite, keulenförmige Laschenpaar 14, wie in den 1 und 2 sichtbar, spielarm geführt. Dagegen ist in hierzu orthogonaler Richtung (3, 6) ein signifikanter Versatz zwischen dem Kupplungselement 6 und dem zweiten Maschinenelement 4 möglich, was neben der Aufnahme eines Winkelfehlers, wie in 3 veranschaulicht, auch einen Achsversatz in der entsprechenden Ebene ermöglicht. Es handelt sich hierbei um diejenige Ebene, in welcher auch die Kippachse des Kupplungselementes 6 gegenüber der Welle 3 liegt. Dies gilt sowohl für die Bauformen nach den 7 und 8 als auch für das Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 6.
-
In 6 ist eine koaxial zur Welle 3 ausgerichtete Zentralschraube 16 erkennbar, deren Kopf 17 an einem Bauteil 18 anliegt, welches als Abtriebselement der Stellvorrichtung 1 drehfest mit der nicht dargestellten Nockenwelle verbunden ist. Wie aus 6 hervorgeht, ist der Kopf 17 der Zentralschraube 16 raumsparend mittig innerhalb des zweiten Koppelabschnitts 14, das heißt zwischen den das zweite Laschenpaar 14 bildenden Laschen, angeordnet. Dies gilt ebenso für die Bauformen nach den 7 und 8. In allen Fällen handelt es sich bei dem Kupplungselement 6 um ein einstückiges, spanlos hergestelltes Bauteil der Ausgleichskupplung 5.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stellvorrichtung
- 2
- Elektromotor
- 3
- Welle, erstes Maschinenelement
- 4
- Innenring, zweites Maschinenelement
- 5
- Ausgleichskupplung
- 6
- Ausgleichselement
- 7
- Stift
- 8
- erster Koppelabschnitt, erstes Laschenpaar
- 9
- Steg
- 10
- zentrale Ausnehmung im Steg
- 11
- Ringkörper
- 12
- Bohrungen im ersten Laschenpaar
- 13
- verjüngter Fortsatz der Welle
- 14
- zweiter Koppelabschnitt, zweites Laschenpaar
- 15
- Ausnehmung im Innenring
- 16
- Zentralschraube
- 17
- Kopf
- 18
- Bauteil
- 19
- Kragen, erster Koppelabschnitt
- 20
- Langloch
- α, β
- Winkel
- a
- Achsversatz
- R
- Rotationsachse
