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Die Erfindung betrifft ein insbesondere als Getriebe eines elektrisch betätigten Aktors verwendbares Wellgetriebe.
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Ein Wellgetriebe weist bauartbedingt ein flexibles Getriebeelement auf. Dieses flexible Getriebeelement kann beispielsweise als einfacher Flexring, als Kragenhülse oder als topfförmiges Bauteil gestaltet sein.
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Ein als Kragenhülse gestaltetes flexibles verzahntes Getriebeelement für ein Wellgetriebe ist beispielsweise aus der
EP 0 741 256 A1 bekannt. Das Wellgetriebe soll als hochübersetztes Getriebe zum Einsatz in Robotern geeignet sein.
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Ein für den gleichen Zweck vorgesehenes nachgiebiges Getriebeelement in Topfform ist beispielsweise in der
EP 0 514 829 B1 offenbart. In beiden Fällen ist die Verzahnung des Getriebeelementes als Außenverzahnung ausgebildet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickeltes Wellgetriebe anzugeben, welches sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Dauerhaltbarkeit und fertigungstechnischem Aufwand auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Wellgetriebe weist zwei flexible, verzahnte Getriebeelemente auf, deren Verzahnungen miteinander kämmen. Optional wirkt eines der beiden flexiblen Getriebeelemente zusätzlich direkt mit einem in sich starren Getriebeelement zusammen.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch ein zweites flexibles Getriebeelement innerhalb des Wellgetriebes dessen Dauerhaltbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Getriebekonzepten signifikant gesteigert werden kann, wobei zugleich ein kompakter Aufbau des Wellgetriebes erzielbar ist und dessen Trägheitsmomente reduziert sind.
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Unter dem ersten flexiblen Getriebeelement des Wellgetriebes wird dasjenige Getriebeelement verstanden, welches relativ zu einem Gehäuse nicht verdrehbar ist, wobei nicht notwendigerweise ein geschlossenes Gehäuse vorliegen muss. Beispielsweise kann das Gehäuse als Halterung ausgebildet sein, in welcher Getriebeelemente des Wellgetriebes aufgenommen sind. Das Gehäuse ist nicht notwendigerweise Bestandteil des Wellgetriebes. Vielmehr kann es sich bei dem Gehäuse auch um einen Bestandteil einer Umgebungskonstruktion handeln. Sofern das Gehäuse dem Wellgetriebe zuzurechnen ist, kann das Gehäuse als Ganzes entweder drehfest oder drehbar in einer Umgebungskonstruktion angeordnet sein.
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Gemäß einer ersten möglichen Bauform ist das erste flexible Getriebeelement des Wellgetriebes als Kragenhülse ausgebildet.
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Die Verzahnung der Kragenhülse kann entweder als Außenverzahnung oder als Innenverzahnung ausgebildet sein. Das zweite, direkt mit der Kragenhülse zusammenwirkende flexible Getriebeelement ist vorzugsweise als topfförmiges Element gestaltet.
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Gemäß einer zweiten möglichen Bauform ist das erste Getriebeelement als Flexring ausgebildet. Der Flexring weist eine Außenverzahnung auf, welche direkt mit einem starren, gehäusefesten Bauteil sowie mit dem zweiten, flexiblen Getriebeelement zusammenwirkt. Das zweite flexible Getriebeelement ist auch in diesem Fall vorzugsweise topfförmig gestaltet.
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In Bauformen, in denen das erste, drehfest mit dem Gehäuse gekoppelte Getriebeelement außenverzahnt ist, ist die Nachgiebigkeit des zweiten flexiblen Getriebeelementes vorzugsweise derart ausgelegt, dass sich dieses Getriebeelement bei einer mittleren Last nur leicht verformt, wobei es sich der Geometrie der Verzahnung des ersten flexiblen Getriebeelementes anpasst, um Konzentrizitätsfehler oder eine Verkippung auszugleichen. Bei höheren Drehmomentbelastungen verformt sich das zweite flexible Getriebeelement zusätzlich radial so stark, dass das Wellgetriebe durch Aufweitung des Verzahnungsspiels tangential drehweich wird. Damit werden Drehmomentspitzen abgefangen sowie Lasten auf die Verzahnungen der flexiblen Getriebeelemente reduziert.
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Das außenverzahnte, drehfest mit dem Gehäuse gekoppelte Getriebeelement ist in diesen Bauformen vorzugsweise unmittelbar durch einen Wellgenerator verformbar. Die Verformung des zweiten, vorzugsweise steiferen Getriebeelementes erfolgt hierbei über das erste Getriebeelement.
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Weist dagegen das erste, drehfest mit dem Gehäuse gekoppelte Getriebeelement eine Innenverzahnung auf, so wird dieses Getriebeelement vorzugsweise nicht direkt durch den Wellgenerator, sondern indirekt, nämlich mittels des zweiten Getriebeelementes, verformt. Im Gegensatz zu den zuvor erläuterten Bauformen mit außenverzahntem erstem Getriebeelement weist in diesem Fall vorzugsweise das zweite Getriebeelement eine stärkere elastische Nachgiebigkeit als das erste Getriebeelement auf. Bei einer Topfform des zweiten, besonders nachgiebigen Getriebeelementes wird in diesem Fall auch von einem Topfgetriebe gesprochen.
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Zwischen demjenigen Getriebeelement, welches eine Innenverzahnung aufweist, und dem Gehäuse des Wellgetriebes ist ein Ringraum gebildet. Solange das innenverzahnte Getriebeelement nicht verformt ist, weist dieser Ringraum typischerweise eine einheitliche, in Radialrichtung des Getriebeelementes gemessene Dicke auf. Abweichend hiervon sind auch Bauformen realisierbar, in welchen die beiden flexiblen Getriebeelemente derart gegeneinander vorgespannt sind, dass sie in jedem Belastungszustand, das heißt bereits ohne Drehmomentbeaufschlagung, eine nicht kreisrunde Form einnehmen. Das Wellgetriebe ist damit als spielfreies Getriebe auslegbar. Das außenverzahnte flexible Getriebeelement weist hierbei im nicht montierten Zustand gegenüber dem innenverzahnten Getriebeelement ein Übermaß auf.
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Handelt es sich bei dem innenverzahnten Getriebeelement um das gegenüber dem Gehäuse des Wellgetriebes drehbare Getriebeelement, so ist der genannte Ringraum radial nach innen und radial nach außen durch gegeneinander drehbare Bauteile begrenzt. Die genannte Dicke des Hohlraums wird in diesem Fall auch als Spiel zwischen dem Außenumfang des flexiblen, eine Innenverzahnung aufweisenden Getriebeelementes und dem Innendurchmesser des Gehäuses bezeichnet. Dieses Spiel ist gemäß einer möglichen Ausgestaltung derart gering, dass sich das innenverzahnte Getriebeelement und das Gehäuse verklemmen können, wenn ein im Wellgetriebe wirkendes Drehmoment einen bestimmten Maximalwert überschreitet. Das Wellgetriebe ist damit lastgesteuert selbsthemmend ausgelegt, wodurch der Energiebedarf eines Verstellmotors, welcher ansonsten auch zum Halten einer gewählten Einstellung des Wellgetriebes benötigt wird, je nach Betriebszustand bis auf null reduziert wird.
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In fertigungstechnisch vorteilhafter Ausgestaltung sind die flexiblen verzahnten Getriebeelemente als einstückige Blechteile ausgebildet. Die mittlere Wandstärke desjenigen Getriebeelementes, welches direkt vom Wellgenerator verformt wird, ist vorzugsweise geringer als die mittlere Wandstärke des anderen, indirekt vom Wellgenerator verformten Getriebeelementes. Die Verzahnungen sind vorzugsweise integraler Bestandteil des jeweiligen Getriebeelementes.
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Das Wellgetriebe ist sowohl für stationäre Anwendungen als auch für die Verwendung in Fahrzeugen geeignet. Insbesondere ist das Wellgetriebe als Stellgetriebe eines elektrischen Nockenwellenverstellers oder einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine geeignet. Im letztgenannten Fall ist mittels des Wellgetriebes eine Exzenterwelle verstellbar, an welcher ein Nebenpleuel angelenkt ist, das mit weiteren Komponenten eines Kurbeltriebs zusammenwirkt.
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Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, jeweils in einer schematischen Schnittdarstellung:
- 1 ein Wellgetriebe in der Bauform „Kragenhülsengetriebe“,
- 2 ein Wellgetriebe in der Bauform „Flachbaugetriebe“,
- 3 ein Wellgetriebe in der Bauform „Topfgetriebe“.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf alle Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Bei einem insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Wellgetriebe handelt es sich um ein Stellgetriebe eines nicht weiter dargestellten Nockenwellenverstellers, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird.
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Ein Antriebselement 2 des Wellgetriebes 1 ist als Kettenrad gestaltet und wird in an sich bekannter Weise von der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetrieben, wobei es mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert. Mit dem Antriebselement 2 ist ein erstes flexibles Getriebeelement verbunden, welches im Fall von 1 als außenverzahnte Kragenhülse, im Fall von 2 als Flexring 4, und im Fall von 3 als innenverzahnte Kragenhülse 5 ausgebildet ist.
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In allen Fällen kämmt die mit 13 bezeichnete Verzahnung des ersten flexiblen Getriebeelementes 3,4,5 mit einer Verzahnung 14 eines zweiten flexiblen Getriebeelementes 6. Das zweite flexible Getriebeelement 6 ist in den Ausgestaltungen nach den 1 und 2 innenverzahnt und in der Ausgestaltung nach 3 außenverzahnt. In allen Bauformen ist das zweite flexible Getriebeelement 6 topfförmig gestaltet und fest mit einer Anschlagscheibe 7 verbunden, die wiederum fest mit einer nicht dargestellten Nockenwelle verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem zweiten flexiblen Getriebeelement 6, der Anschlagscheibe 7 und der Nockenwelle ist mit Hilfe einer Zentralschraube 8 hergestellt, welche konzentrisch zu der mit R bezeichneten Rotationsachse des Wellgetriebes 1 sowie der Nockenwelle angeordnet ist. Das zweite flexible Getriebeelement 6 stellt damit ein Abtriebselement des Wellgetriebes 1 dar. Die Anschlagscheibe 7 begrenzt den Verdrehwinkel zwischen der Nockenwelle und dem Antriebselement 2.
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Die Verzahnungen 13,14 des ersten flexiblen Getriebeelementes 3,4,5 sowie des zweiten flexiblen Getriebeelementes 6 liegen radial außerhalb eines mit 9 bezeichneten Wellgenerators. Der Wellgenerator 9 weist einen in sich starren Innenring 10 mit nicht kreisrunder, elliptischer Außenumfangsfläche auf, welche als Wälzlagerlaufbahn fungiert. Auf dem Innenring 10 abrollende Wälzkörper 11, nämlich Kugeln, kontaktieren einen Außenring 12, welcher im Gegensatz zum Innenring 10 nachgiebig ist und sich permanent der unrunden Form des Innenrings 10 anpasst. Der Innenring 10 wird mittels eines nicht dargestellten Elektromotors angetrieben, wobei zwischen den Elektromotor und den Innenring 10 optional eine Ausgleichskupplung geschaltet ist.
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Der Außenring 12 kontaktiert dasjenige flexible Getriebeelement 3, 4, 6, welches als außenverzahntes Element ausgebildet ist, in demjenigen Abschnitt, in dem dieses mit der Verzahnung 13, 14 versehen ist. Durch die nicht kreisrunde Gestaltung des Innenrings 10 greift die Außenverzahnung 13, 14 lediglich an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen in die Verzahnung 14, 13 des anderen Getriebeelementes 6, 5 ein.
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Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Kragen des ersten flexiblen Getriebeelementes 3 fest, beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Verschraubung, mit dem Antriebselement 2 verbunden. Der prinzipiell gleiche Effekt wird in der Ausgestaltung nach 2 dadurch erzielt, dass ein Teil der Verzahnung 13 in eine mit 16 bezeichnete Verzahnung eines Hohlrades 15 eingreift, welches fest mit dem Antriebselement 2 verbunden ist. Die Zähnezahl der Verzahnung 13 stimmt mit der Zähnezahl der Verzahnung 16 überein, so dass unabhängig von der Betätigung des Innenrings 10 niemals eine Verdrehung zwischen dem ersten flexiblen Getriebeelement 4 und dem Antriebselement 2 auftreten kann. Die mittels der Verzahnungen 13,16 hergestellte drehfeste Kopplung zwischen dem Flexring 4 und dem Antriebselement 2 wird dementsprechend auch als Kupplungsstufe des Wellgetriebes 1 bezeichnet.
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Im Unterschied zur Verzahnung 16 des Hohlrades 15 weist die Verzahnung 14 des abtriebsseitigen Getriebeelementes 6 eine Zähnezahl auf, welche von der Zähnezahl der Verzahnung 13 geringfügig, nämlich um zwei, abweicht. Bei einer vollen Umdrehung des Innenrings 10 verlagert sich damit der Eingriffsbereich zwischen den Verzahnungen 13, 14 geringfügig in Umfangsrichtung. Die Zusammenwirkung zwischen dem Flexring 4 und dem flexiblen Getriebeelement 6 wird dementsprechend als Übersetzungsstufe des Wellgetriebes 1 bezeichnet. Insgesamt stellt das Wellgetriebe 1 in jeder Bauform ein hochuntersetztes Stellgetriebe dar.
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Eine geringfügig unterschiedliche Zähnezahl zwischen den Verzahnungen 13, 14 ist auch in den Bauformen nach den 1 und 3 gegeben. Das Wellgetriebe 1 nach 3 unterscheidet sich von der Bauform nach 1 dadurch, dass der Außenring 12 nicht das gehäusefeste, erste flexible Getriebeelement 3, sondern das zweite, abtriebsseitige flexible Getriebeelement 6 kontaktiert. Das zweite flexible Getriebeelement 6 des Wellgetriebes 1 nach 3 ist derart nachgiebig, dass es unabhängig von der Drehmomentbelastung stets in zwei einander diametral gegenüberliegenden Umfangsbereichen in Eingriff mit dem antriebsseitigen flexiblen Getriebeelement 5 gebracht wird. Im Vergleich zur Ausgestaltung nach 3 kann bei der Bauform nach 1 das abtriebsseitige flexible Getriebeelement 6 dagegen vergleichsweise steif ausgelegt sein, wobei auch in diesem Fall, ebenso wie in der Bauform nach 2, eine signifikante elastische Nachgiebigkeit des abtriebsseitigen Getriebeelementes 6 gegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Antriebselement
- 3
- Kragenhülse, außenverzahnt
- 4
- Flexring
- 5
- Kragenhülse, innenverzahnt
- 6
- flexibles Getriebeelement
- 7
- Anschlagscheibe
- 8
- Zentralschraube
- 9
- Wellgenerator
- 10
- Innenring
- 11
- Wälzkörper
- 12
- Außenring
- 13
- Verzahnung des gehäusefesten flexiblen Getriebeelementes (3, 4, 5)
- 14
- Verzahnung des abtriebsseitigen flexiblen Getriebeelementes (6)
- 15
- Hohlrad
- 16
- Verzahnung des Hohlrades
- R
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0741256 A1 [0003]
- EP 0514829 B1 [0004]
- DE 102004009128 A1 [0005]
- DE 102013220220 A1 [0005]
- DE 102014202060 A1 [0005]
