DE102017111682A1

DE102017111682A1 - Stellgetriebe

Info

Publication number: DE102017111682A1
Application number: DE102017111682.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Zierer; Bastian Hain
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2017-11-30
Also published as: WO2017206988A1; CN109196192A; US20190153909A1

Abstract

Ein Stellgetriebe (1), insbesondere in einem elektrischen Nockenwellenversteller, umfasst ein Gehäuse (2) mit einer zylindrischen Grundform, welches eine erste, zur Kopplung mit einem Stellmotor, insbesondere Elektromotor, vorgesehene, antriebsseitige Stirnseite und eine zweite, zur Kopplung mit einer Abtriebswelle vorgesehene, abtriebsseitige Stirnseite aufweist, wobei eine Verdrehwinkelbegrenzung (8) zur Begrenzung der Verdrehung der Abtriebswelle gegenüber dem Gehäuse (2) auf der antriebsseitigen Stirnseite angeordnet ist

Description

Die Erfindung betrifft ein insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendbares Stellgetriebe, dessen Gehäuse eine zylindrische Grundform aufweist, wobei zwischen dem Gehäuse und einer mit einem Abtriebselement des Stellgetriebes verbindbaren Abtriebswelle eine Verdrehwinkelbegrenzung gegeben ist.
Aus der DE 10 2004 038 681 A1 ist ein elektromotorischer Nockenwellenversteller bekannt, bei welchem eine Verdrehwinkelbegrenzung zwischen einem Abtriebsflansch und einer Anschlagscheibe gegeben ist. Die Verdrehwinkelbegrenzung ist durch Zusammenwirkung einer Nase am Abtriebsflansch mit zwei Anschlägen an der Anschlagscheibe realisiert. Das Getriebe des bekannten elektromotorischen Nockenwellenverstellers kann als Taumelscheiben- oder Einfach-Innenexzentergetriebe ausgebildet sein.
Bei einem aus der DE 10 2008 039 008 A1 bekannten Nockenwellenverstellsystem ist eine Verdrehwinkelbegrenzung zwischen einer Anschlagscheibe, welche mit einer Nockenwelle verbunden ist, und einem Kettenrad gegeben.
Eine in der DE 10 2010 050 814 A1 offenbarte Getriebeeinrichtung, welche ebenfalls für einen Nockenwellenversteller geeignet ist, weist zur Verdrehwinkelbegrenzung mehrere Nasen auf, die jeweils mit Anschlägen an einer Tasche zusammenwirken. Die gegeneinander verschwenkbaren Teile sind in diesem Fall gleitgelagert.
Weitere Stellgetriebe gehen aus DE 10 2008 043 673 A1 , aus DE 10 2006 028 554 A1 und US 2015 / 0033906 A1 hervor. DE 10 2011 004 070 A1 offenbart einen Nockenwellenversteller, bei dem ein erster mechanischer Anschlag zwischen dem Antriebsteil und dem Abtriebsteil vorgesehen ist sowie ein zweiter mechanischer Anschlag zwischen dem Stellglied und entweder dem Antriebsteil oder dem Abtriebsteil.
Eine derartige Vorrichtung löst gegebenenfalls das Problem des Verklemmens des Stellglieds, baut aber nicht kompakt. Insbesondere kann nicht auf eine abtriebsseitige Anschlagschreibe verzichtet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stellgetriebe, welches eine Verdrehwinkelbegrenzung zwischen einer Abtriebswelle und einem Gehäuse aufweist, gegenüber dem genannten Stand der Technik hinsichtlich eines besonders kompakten, fertigungsfreundlichen Aufbaus weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Stellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Es handelt sich hierbei um ein Stellgetriebe mit einem Gehäuse mit zylindrischer Grundform. An den beiden Stirnseiten des Gehäuses sind Anschlüsse einerseits an einen Stellmotor und andererseits an eine Abtriebswelle vorgesehen. Die mit einem Abtriebselement des Stellgetriebes zu verbindende Abtriebswelle ist gegenüber dem Gehäuse lediglich in einem beschränkten Winkelbereich verschwenkbar, wobei eine hierfür vorgesehene Verdrehwinkelbegrenzung nicht auf der abtriebsseitigen, sondern auf der antriebsseitigen, dem Stellmotor zugewandten, das heißt der Abtriebswelle abgewandten Stirnseite des Gehäuses angeordnet ist.
Die zunächst paradox erscheinende Verdrehwinkelbegrenzung zwischen der Abtriebswelle und dem Gehäuse des Stellgetriebes auf dessen der Abtriebswelle abgewandter Stirnseite hat den Vorteil, dass auf der Abtriebsseite des Getriebes kein gesondertes Anschlagelement benötigt wird, so dass die Verbindung zwischen Abtriebselement des Stellgetriebes und Abtriebswelle besonders raumsparend gestaltbar ist. Stattdessen ist die Verdrehwinkelbegrenzung in das Stellgetriebe hinein verlegt, und zwar auf dessen antriebsseitige Stirnseite.
Die Verdrehwinkelbegrenzung selbst kann mit ohnehin im Stellgetriebe vorhandenen Teilen uns an sich bekannten geometrischen Merkmalen gestaltet sein. Beispielhaft ist die Zusammenwirkung einer Nase oder eines sonstigen Vorsprungs an einem ersten Teil mit Flanken von Aussparungen eines zweiten Teils zu nennen. Hierbei können, wie prinzipiell beispielsweise aus der genannten DE 10 2010 050 814 A1 bekannt, mehrere Paare von Anschlagskonturen am Umfang der begrenzt zueinander verschwenkbaren Teile gleichmäßig verteilt sein. Mindestens eines der zueinander verschwenkbaren Teile ist beispielsweise durch spanabhebende Verfahren bearbeitet. Dies hat den Vorteil, dass basierend auf Ausgangsteilen identischer Geometrie durch unterschiedliche spanabhebende Bearbeitungsvorgänge verschiedene maximale Verstellwinkel festlegbar sind.
Sind mehrere Anschläge zur mechanischen Begrenzung des Verstellbereichs vorgesehen, bei denen ein Anschlagen gleichzeitig erfolgt, verteilen sich die Lasten auf die einzelnen Anschläge, und deren Materialstärke kann reduziert werden. Dadurch wird nochmals Bauraum eingespart. Axial kompakt baut ein derartiges Stellgetriebe, wenn die Anschläge zueinander in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Sie liegen vorzugsweise in der gleichen Axialebene.
In einer Weiterbildung der Anschläge sind diese symmetrisch angeordnet, um die Unwucht des Stellgetriebes zu reduzieren. Weist das Stellgetriebe aufgrund anderer Bauteile eine Unwucht auf, können Teilkreisausnehmungen mit zwei Anschlagswänden vorgesehen sein, von denen lediglich einer als mechanische Verstellwinkelbegrenzung dient. Die Teilkreisausnehmung ist zum anderen Anschlag hin „offen“, so dass hier kein mechanischer Anschlag erfolgt, sondern die Materialausnehmung beispielsweise zur Unwuchtkompensation dient. Zwei oder mehrere Teilkreisausnehmungen können dann gemeinsam einen Verstellbereich in beide Drehrichtungen abschließen.
Als mit der Abtriebswelle zu verbindendes Abtriebselement des Stellgetriebes ist in bevorzugter Ausgestaltung ein Hohlrad vorgesehen. Dieses Hohlrad kann ein- oder mehrteilig aufgebaut sein und weist vorzugsweise eine Topfform auf, wobei der Topfboden der abtriebsseitigen Stirnseite zugewandt ist. Ein zylindrischer Abschnitt des topfförmigen Hohlrades ist dementsprechend zur antriebsseitigen Stirnseite des Stellgetriebes hin offen, wobei die Verdrehwinkelbegrenzung vorzugsweise direkt am der antriebsseitigen Stirnseite zugewandten Rand des zylindrischen Abschnitts des Hohlrades ausgebildet ist. Die Verdrehwinkelbegrenzung kann hierbei unmittelbar zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse ausgebildet sein. Alternativ ist die Ausbildung der Verdrehwinkelbegrenzung zwischen dem Hohlrad und einer Anlaufscheibe, welche fest mit dem Gehäuse verbunden ist, möglich.
Das Gehäuse kann als Ganzes als Antriebselement des Stellgetriebes vorgesehen sein. Zu diesem Zweck kann das Gehäuse eine Außenverzahnung aufweisen, die beispielsweise mit einem Zugmittel, nämlich einer Kette oder einem Zahnriemen, oder als Teil eines Zahnradgetriebes mit mindestens einem weiteren Zahnrad zusammenwirkt. Ebenso sind Ausgestaltungen realisierbar, bei welchen das Gehäuse ein nicht drehbares Maschinenelement darstellt und beispielsweise mit einem Motorblock einer Brennkraftmaschine, nämlich eines Hubkolbenmotors, verbunden oder integraler Bestandteil eines solchen Motorblocks ist.
Unabhängig davon, ob es sich bei dem Gehäuse des Stellgetriebes um ein drehbares oder ein nicht rotierbares Maschinenteil handelt, ist das Stellgetriebe als Wellgetriebe ausgebildet. Ein Wellgetriebe weist prinzipbedingt ein nachgiebiges, verzahntes Getriebeelement auf. Bei dem nachgiebigen Getriebeelement kann es sich beispielsweise um einen Flexring handeln. Als Flexring wird ein flexibles, ringförmiges, verzahntes Getriebeelement ohne Flansch oder Bord bezeichnet. Alternativ kann das nachgiebige Getriebeelement eine Topfform aufweisen. In besonders bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei dem nachgiebigen Getriebeelement um eine Kragenhülse. In diesem Fall schließt sich an einen zylindrischen, verzahnten Abschnitt des Getriebeelementes ein radial nach außen gerichteter Flansch, auch als Kragen bezeichnet, an. Der Kragen des nachgiebigen Getriebeelementes ist vorzugsweise auf der antriebsseitigen Stirnseite des Gehäuses vor der Verdrehwinkelbegrenzung angeordnet, das heißt der Verdrehwinkelbegrenzung vorgesetzt. Dem Kragen wiederum kann ein Deckel auf der antriebsseitigen Stirnseite des Gehäuses vorgesetzt sein.
Hinsichtlich einer möglichen geometrischen Gestaltung eines als Kragenhülse ausgebildeten elastischen Zahnrades, welches für ein Wellgetriebe geeignet ist, wird beispielshalft auf die EP 0 741 256 B1 verwiesen.
Der Stellmotor, insbesondere Elektromotor, welcher zur Verstellung des Stellgetriebes vorgesehen ist, ist gemäß einer möglichen Ausgestaltung mittels einer Ausgleichskupplung mit Getriebeelementen des Stellgetriebes gekoppelt. Die auch als Oldham-Kupplung bezeichnete Ausgleichskupplung ermöglicht den Ausgleich eines Achsversatzes, in geringem Umfang auch den Ausgleich von Winkelfehlern, zwischen dem Stellmotor und dem Stellgetriebe. Die Ausgleichskupplung, zumindest eine Oldhamscheibe als Kernelement der Ausgleichskupplung, ist vorzugsweise axial zwischen der Verdrehwinkelbegrenzung und einer Außenverzahnung des nachgiebigen Getriebeelementes angeordnet.
Das Stellgetriebe ist sowohl für stationäre Anwendungen als auch für Anwendungen in Fahrzeugen geeignet. Insbesondere ist das Stellgetriebe in einem elektrischen Nockenwellenversteller einer Brennkraftmaschine oder in einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors geeignet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen in vereinfachter Darstellung:
1 ein Stellgetriebe in einer Schnittdarstellung,
2 das Stellgetriebe in einer stirnseitigen Ansicht.
Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Stellgetriebe ist als Wellgetriebe ausgebildet und zur Verwendung in einem elektrischen Nockenwellenversteller eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 2 des Stellgetriebes 1 weist eine außenseitige Verzahnung 3 auf, die einen Antrieb des Gehäuses 2 und damit des gesamten Stellgetriebes 1 mit Hilfe eines nicht dargestellten Zugmittels, nämlich einer Kette oder eines Zahnriemens, ermöglicht.
Das Gehäuse 2 rotiert in an sich bekannter Weise mit der halben Kurbelwellendrehzahl des Verbrennungsmotors.
Ein innerhalb des Gehäuses 2 angeordnetes Abtriebselement 4 des Stellgetriebes 1 ist als Hohlrad gestaltet und zur Verbindung mit einer nicht dargestellten Nockenwelle, insbesondere Einlassnockenwelle, des Verbrennungsmotors vorgesehen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Abtriebselement 4 um ein einstückiges Getriebeelement, wobei ein zylindrischer, innenverzahnter Abschnitt des Abtriebselementes 4 mit 5 und ein an diesem anschließender Bodenabschnitt mit 6 bezeichnet ist. Im Bodenabschnitt 6 befindet sich eine zentrale, zur Rotationsachse des Stellgetriebes 1 und damit auch zur Nockenwelle konzentrische Öffnung 7. Verbindungselemente, mit welchen der Bodenabschnitt 6 des Abtriebselementes 4 mit der Nockenwelle verbunden ist, sind in den Figuren nicht dargestellt.
Die fest mit dem Abtriebselement 4 verbundene Nockenwelle, allgemein als Abtriebswelle bezeichnet, ist gegenüber dem Gehäuse 2, welches als Antriebselement des Stellgetriebes 1 fungiert, nur begrenzt verschwenkbar. Zu diesem Zweck ist eine Verdrehwinkelbegrenzung 8 ausgebildet, welche auf der der Abtriebswelle abgewandten Stirnseite des Gehäuses 2 angeordnet ist. Zur Unterscheidung von der abtriebsseitigen Stirnseite des Gehäuses 2 wird die Stirnseite, an welcher sich die Verdrehwinkelbegrenzung 8 befindet, als antriebsseitige Stirnseite bezeichnet. Mit dem Gehäuse 2 ist auf der antriebsseitigen Stirnseite eine Anlaufscheibe 9 fest verbunden, welche eine Komponente der Verdrehwinkelbegrenzung 8 bildet. Die weitere Komponente der Verdrehwinkelbegrenzung 8 ist direkt durch den zylindrischen Abschnitt 5 des Abtriebselementes 4, das heißt Hohlrades, gebildet.
Ein nicht dargestellter Elektromotor, welcher als Stellmotor zur Betätigung des Stellgetriebes 1 vorgesehen ist, ist auf der ersten, antriebsseitigen, in der Anordnung nach 1 linken Stirnseite des Stellgetriebes 1 angeordnet. Die zur Rotationsachse des Stellgetriebes 1 konzentrische Motorwelle des Stellmotors ist über eine Ausgleichskupplung 10, nämlich Oldham-Kupplung, mit dem Stellgetriebe 1 gekoppelt, wobei die Ausgleichskupplung 10 eine Oldhamscheibe 11 umfasst, welche dem Stellgetriebe 1 zuzurechnen ist. Die Oldhamscheibe 11 ist ausgehend von einer zur Rotationsachse des Stellgetriebes 1 konzentrischen Normalstellung in zwei zueinander orthogonalen Radialrichtungen begrenzt verschiebbar, womit ein begrenzter Achsversatz zwischen der Rotationsachse des Stellgetriebes 1 und der Rotationsachse des Stellmotors möglich ist.
Über die Oldhamscheibe 11 treibt der Stellmotor einen Innenring 12 eines Wellgenerators 13 an. Solange der Innenring 12 mit der Drehzahl des Gehäuses 2 rotiert, bleibt die Phasenrelation zwischen der mit dem Abtriebselement 4 gekoppelten Nockenwelle und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine unverändert. Der Innenring 12 des Wellgenerators 13 ist in sich starr und weist eine elliptische Außenkontur auf. Auf dem Innenring 12 abrollende Wälzkörper, nämlich Kugeln 14, kontaktieren einen Außenring 15, der nachgiebig ist und sich permanent der elliptischen Form des Innenrings 12 anpasst. Der Außenring 15 wiederum ist unmittelbar umgeben von einem nachgiebigen Getriebeelement 16, nämlich einer Kragenhülse. Die Kragenhülse 16 weist eine Außenverzahnung 17 auf, welche mit einer Innenverzahnung des zylindrischen Abschnitts 5 des Abtriebselementes 4 kämmt. Aufgrund der elliptischen Form des Innenrings 12 ist die Außenverzahnung 17 des nachgiebigen Getriebeelementes 16 lediglich in zwei diametral gegenüberliegenden Umfangsbereichen im Eingriff mit der Innenverzahnung des Hohlrades 4. Bei einer Verdrehung des Innenrings 12 wandern diese Eingriffsbereiche am Umfang der beiden Getriebeelemente 4, 16. Eine geringfügig unterschiedliche Zähneanzahl der Außenverzahnung 17 einerseits und der Innenverzahnung des Hohlrades 4 andererseits sorgt dafür, dass sich bei einer vollen Umdrehung des Innenrings 12 das Hohlrad 4 geringfügig gegenüber dem Gehäuse 2 verdreht. Das als Wellgetriebe ausgebildete Stellgetriebe 1 stellt damit ein hochuntersetztes Getriebe dar.
Es sind mehrere volle Umdrehungen des Innenrings 12 erforderlich, um das Hohlrad 4 von einer Anschlagsposition zur anderen Anschlagsposition, welche jeweils durch die Verdrehwinkelbegrenzung 8 gegeben ist, zu verschwenken. Die Verdrehwinkelbegrenzung 8 ist auf der ersten, antriebsseitigen Stirnseite des Gehäuses 2 unmittelbar einem Kragen 18 des nachgiebigen Getriebeelementes 16 benachbart. Der Kragen 18 des nachgiebigen Getriebeelementes 16, das heißt der Kragenhülse, geht über in einen mit 19 bezeichneten zylindrischen Abschnitt des nachgiebigen Getriebeelementes 16, auf welchem sich die Außenverzahnung 17 befindet. Das gesamte nachgiebige Getriebeelement 16 einschließlich der Außenverzahnung 17 ist als einstückiges Blechteil gefertigt. In Axialrichtung des Stellgetriebes 1 betrachtet befindet sich die Oldhamscheibe 11 zwischen der Verdrehwinkelbegrenzung 8 und der Außenverzahnung 17 der Kragenhülse 16. Auf der antriebsseitigen Stirnseite des Gehäuses 2 ist dem nachgiebigen Getriebeelement 16 ein Deckel 20 vorgesetzt, welcher – ebenso wie das nachgiebige Getriebeelement 16 – die Form einer zylindrischen Hülse mit angeformtem Flansch – aufweist. In Axialrichtung, das heißt Längsrichtung der Mittelachse des Stellgetriebes 1, erstreckt sich der Deckel 20 über die Verdrehwinkelbegrenzung 8 hinaus bis zur Oldhamscheibe 11 und endet mit einem radial nach innen gerichteten Bord 21 unmittelbar vor dem Wellgenerator 13. Durch die Überlappung verschiedener Elemente des Stellgetriebes 1 in Axialrichtung, insbesondere der Verdrehwinkelbegrenzung 8 mit dem nachgiebigen Getriebeelement 16, ist das Stellgetriebe 1 insgesamt sehr kompakt aufgebaut.
Bezugszeichenliste

1: Stellgetriebe
2: Gehäuse
3: Verzahnung
4: Abtriebselement, Hohlrad
5: zylindrischer, innenverzahnter Abschnitt
6: Bodenabschnitt
7: Öffnung
8: Verdrehwinkelbegrenzung
9: Anlaufscheibe
10: Ausgleichskupplung, Oldham-Kupplung
11: Oldhamscheibe
12: Innenring
13: Wellgenerator
14: Wälzkörper, Kugel
15: Außenring
16: nachgiebiges Getriebeelement, Kragenhülse
17: Außenverzahnung
18: Kragen
19: zylindrischer Abschnitt
20: Deckel
21: Bord

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004038681 A1 [0002]
DE 102008039008 A1 [0003]
DE 102010050814 A1 [0004, 0010]
DE 102008043673 A1 [0005]
DE 102006028554 A1 [0005]
US 2015/0033906 A1 [0005]
DE 102011004070 A1 [0005]
EP 0741256 B1 [0016]

Claims

Stellgetriebe (1), das als ein Wellgetriebe mit einem nachgiebigem Getriebeelement (16) ausgebildet ist, mit einem Gehäuse (2), welches eine erste Stirnseite zur Anbindung eines Stellmotors und eine zweite, zur Anbindung einer Abtriebswelle gewandten Stirnseite aufweist, wobei eine Verdrehwinkelbegrenzung (8) zur Begrenzung der Verdrehung der Abtriebswelle gegenüber dem Gehäuse (2) auf der antriebsseitigen Stirnseite angeordnet ist.
Stellgetriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nachgiebige Getriebeelement (16) als eine Kragenhülse ausgebildet ist, deren Kragen (18) an der ersten Stirnseite des Gehäuses (2) der Verdrehwinkelbegrenzung (8) vorgesetzt ist
Stellgetriebe (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehwinkelbegrenzung (8) axial zwischen dem Kragen (18) und dem Gehäuse (2) angeordnet ist.
Stellgetriebe (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehwinkelbegrenzung axial oder radial zwischen dem Kragen (18) und dem Gehäuse (2) angeordnet ist.
Stellgetriebe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zur Verbindung mit der Abtriebswelle vorgesehenes, als Hohlrad (4) ausgebildetes Abtriebselement.
Stellgetriebe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehwinkelbegrenzung (8) unmittelbar zwischen dem Hohlrad (4) und dem Gehäuse (2) ausgebildet ist.
Stellgetriebe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehwinkelbegrenzung (8) zwischen dem Hohlrad (4) und einer Anlaufscheibe (9), welche mit dem Gehäuse (2) verbunden ist, ausgebildet ist.
Stellgetriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) als Antriebselement ausgebildet und mit einer außenseitigen Verzahnung (3) versehen ist.
Stellgetriebe (1) nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Ausgleichskupplung (10), welche axial zwischen der Verdrehwinkelbegrenzung (8) und einer Außenverzahnung (17) des nachgiebigen Getriebeelementes (16) angeordnet ist.
Stellgetriebe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abtriebswelle und dem Gehäuse keine Verdrehwinkelbegrenzung vorgesehen ist.