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Die Erfindung betrifft ein als Stellgetriebe, insbesondere in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller, verwendbares Wellgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines solchen Wellgetriebes.
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Ein gattungsgemäßes Wellgetriebe ist aus der
WO 2017/041802 A1 bekannt. Dieses Wellgetriebe weist ein als Kragenhülse ausgebildetes elastisches Zahnrad auf, welches an einem Gehäusebauteil gehalten ist, wobei die Verbindung zwischen der Kragenhülse und dem Gehäusebauteil in Umfangsrichtung der genannten Bauteile spielarm und zugleich in axialer Richtung in größerem Maße spielbehaftet ist. Durch die damit gegebene partielle Entkopplung der Kragenhülse gegenüber dem Getriebegehäuse ausschließlich in axialer Richtung ist eine hohe Präzession hinsichtlich der Übertragung von Drehbewegungen erreichbar, wobei betriebsbedingte Verformungen eines verzahnten, zylindrischen Abschnitts der Kragenhülse in radialer Richtung ungehindert möglich sind.
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Eine alternative Möglichkeit der Kopplung einer Kragenhülse mit einem Gehäusebauteil eines Wellgetriebes ist in der
WO 2017/041800 A1 offenbart. In diesem Fall ist eine Mehrzahl an Befestigungsstellen vorgesehen, an welchen der Flansch, da heißt Kragen, des als Kragenhülse ausgebildeten Zahnrads am Gehäusebauteil befestigt ist. Außerhalb der Befestigungsstellen ist ein Axialspiel zwischen dem Flansch und dem Gehäusebauteil gegeben.
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Ein Wellgetriebe arbeitet prinzipbedingt mit einem elastischen Getriebeelement. Dieses Getriebeelement soll einerseits mit möglichst geringen Kräften verformbar sein, um unter anderem einen Betrieb des Wellgetriebes mit hohem Wirkungsgrad zu ermöglichen und Belastungsspitzen innerhalb des Wellgetriebes weitest möglich zu vermeiden. Andererseits ist eine ausreichend steife Auslegung und Aufhängung der Kragenhülse für eine präzise, betriebssichere Funktion des Wellgetriebes erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den aufgezeigten, bei Wellgetrieben auftretenden Zielkonflikt bei zugleich einfachem, montagefreundlichen und raumsparenden Getriebeaufbau zu entschärfen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Montage eines Wellgetriebes gemäß Anspruch 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Montageverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Wellgetriebe und umgekehrt.
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Das Wellgetriebe weist in prinzipiell bekannter Grundkonzeption ein flexibles, als Kragenhülse ausgebildetes Getriebeelement auf, welches drehfest an einem Gehäuseelement gehalten ist, wobei sich Aussparungen im Kragen des Getriebeelementes befinden und gehäusefeste Befestigungselemente derart in die Aussparungen eingreifen, dass eine Relativbeweglichkeit zwischen dem Gehäuseelement und dem Kragen gegeben ist.
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Erfindungsgemäß sind die Befestigungselemente als gewindelose Zapfen ausgebildet, wobei zur Sicherung des flexiblen Getriebeelementes in Axialrichtung ein am Gehäuse befestigter Deckel vorgesehen und der Kragen mit Spiel in Axialrichtung zwischen dem Deckel und einer Stirnseite des Gehäuseelementes angeordnet ist.
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Im Unterschied zu Schrauben weisen die Zapfen keinen Kopf auf, was das nachträgliche Aufsetzen der Kragenhülse auf die Baueinheit aus Gehäuseelement und Zapfen ermöglicht. Auch eine einstückige Ausbildung von Zapfen und Gehäuseelement ist möglich. In jedem Fall wird durch den Entfall von Köpfen bei den gehäusefesten Befestigungselementen Bauraum in axialer Richtung eingespart.
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Die Zapfen, welche als Befestigungselemente in das Gehäuseelement eingesetzt sind, weisen in bevorzugter Ausgestaltung eine durchgehend zylindrische Form auf. Dementsprechend werden die Zapfen auch als Zylinderstifte bezeichnet. Bei kleinen Durchmesser/Längenverhältnissen haben die Zapfen die Form von Nadeln. Die Zapfen können beispielsweise in Durchgangsbohrungen oder in Sacklochbohrungen im Gehäuseelement eingesetzt sein. In beiden Fällen kann es sich bei den Bohrungen beispielsweise um kalibrierte Sinterbohrungen handeln.
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Das Wellgetriebe ist in folgenden Schritten montierbar:
- - Bereitstellung eines hohlzylindrischen Gehäuseelementes, welches eine Anzahl Bohrungen in insgesamt ringförmiger Anordnung aufweist,
- - Befestigung von Zapfen in jeweils einer Bohrung derart, dass die Zapfen stirnseitig aus dem Gehäuse herausragen,
- - Aufsetzen eines flexiblen, als Kragenhülse ausgebildeten Getriebeelementes auf die Zapfen derart, dass jeweils ein Zapfen in eine Aussparung im Kragen des Getriebeelementes eingreift,
- - Befestigung eines Deckels am Gehäuseelement derart, dass die Kragenhülse auf den Zapfen mit Spiel in Axialrichtung geführt ist.
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Im Fall einer einstückigen Gestaltung von Zapfen und Gehäuseelement wird als erster Schritt ein hohlzylindrisches Gehäuseelement bereitgestellt, welches eine Stirnseite aufweist, aus der mehrere Zapfen herausragen. Unabhängig davon, ob die Baueinheit aus Gehäuseelement und Zapfen einteilig oder mehrteilig gestaltet ist, sind zur Komplettierung des Wellgetriebes weitere Elemente, insbesondere ein Abtriebselement und ein Wellgenerator, erforderlich, wobei die Gestaltung dieser Elemente von bekannten Wellgetrieben übernommen werden kann.
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Die weiche Aufhängung der Kragenhülse, welche durch die axiale Verschiebbarkeit des Kragens auf den Zapfen gegeben ist, hat gegenüber einer axial steifen Anbindung den besonderen Vorteil, dass eine geringere Abhängigkeit der im Betrieb relevanten Eigenschaften des Wellgetriebes von in der Serienfertigung auftretenden Fertigungstoleranzen - bezogen auf den auslegungsgemäßen Idealzustand - auftritt. Insbesondere wird vermieden, dass sich nicht ideale Eigenschaften, zum Beispiel Rundheitsabweichungen, des Wellgetriebes in Form von unbeabsichtigten Vorzugsstellungen auswirken. Solche Vorzugsstellungen könnten das Regelverhalten eines elektromechanischen Stellsystems, welches das Wellgetriebe als Stellgetriebe umfasst, negativ beeinflussen. Die flexible Führung des Kragens des Getriebeelementes auf den Zapfen hat darüber hinaus den Vorteil, dass es bei der Montage des Wellgetriebes zu keinem Versatz der Kragenhülse in radialer Richtung kommen kann.
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Der zwischen dem Deckel und der Stirnseite des Gehäuseelementes gebildete Hohlraum, in welchem der Kragen des Getriebeelementes beschränkt verschiebbar ist, ist vorzugsweise derart bemessen, dass ein welliges Verformen des Kragens beim Betrieb des Wellgetriebes nicht beschränkt wird. Das wellige Verformen wirkt sich praktisch nicht auf die Winkellage einer Außenverzahnung der Kragenhülse aus. Zugleich trägt das gleichmäßig wellige Verformen signifikant zur kraftarmen, Belastungsspitzen vermeidenden Verformbarkeit der Kragenhülse bei.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist am Rand jeder Aussparung des Kragens ein Dom gebildet, welcher aus der Ebene, in der der übrige Kragen liegt, herausragt. Ein solcher Dom, das heißt ein kurzer Hohlzapfen, ist auf einfache Weise umformtechnisch herstellbar. Der Dom ist vorzugsweise von der Stirnseite des Gehäuseelementes weg gerichtet, wobei er in eine frontseitige Öffnung im Deckel eingreifen kann. Hierbei ist zwischen der Außenumfangsfläche des Doms und dem Rand der frontseitigen Öffnung des Deckels vorzugsweise ein Ringspalt gebildet.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist der Dom ballig gestaltet. Hierbei ist ein ringförmiger, näherungsweise linienförmiger Kontaktbereich zwischen dem Zapfen und dem Kragen gegeben, wobei sich der Dom, ausgehend vom ringförmigen Kontaktbereich, in beiden Axialrichtungen des Zapfens sowie des gesamten Wellgetriebes aufweitet. Durch den ringförmigen Kontaktbereich ist eine spielfreie oder annähernd spielfreie Kopplung zwischen dem Kragen und dem Zapfen gegeben, wobei zugleich zumindest geringfügige Verkippungen des Kragens zugelassen werden. Die an den einzelnen Zapfen gegebenen Kupplungsstellen zwischen dem Gehäuse und dem flexiblen Getriebeelement des Wellgetriebes sind damit als Gelenke ausgeführt.
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Der Deckel, welcher dem Kragen des flexiblen Getriebeelementes vorgesetzt ist, kann aus Kunststoff oder aus Metall, zum Beispiel Aluminium oder einer Leichtmetalllegierung, hergestellt sein. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Deckel um ein Stahlblechteil. Der Deckel ist vorzugsweise schraubenlos am Gehäuseelement befestigt. In bevorzugter Ausgestaltung weist der Deckel einen äußeren Hülsenabschnitt auf, welcher eine Mantelfläche des Gehäuseelementes umgibt. Dieser Hülsenabschnitt kann zum Beispiel durch eine Pressverbindung mit dem Gehäuseelement verbunden sein. Ebenso ist eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Deckel und dem Gehäuseelement möglich. Bei einer solchen Verbindung greifen beispielsweise in Form von Einprägungen verformte Bereiche des äußeren Hülsenabschnitts in korrespondierende Gegenkonturen des Gehäuseelementes ein.
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Unabhängig von der Art der Befestigung des Deckels am Gehäuseelement kann der Deckel einen inneren hülsenförmigen Abschnitt aufweisen, durch welchen eine in Axialrichtung wirksame Sicherung gegenüber einem Wellgenerator, welcher sich in dem durch das flexible Getriebeelement umschlossenen Hohlraum befindet, gebildet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Gehäuseelement an seiner Stirnseite, an welcher das flexible Getriebeelement gehalten ist, einen Innenflansch auf, welcher eine Axiallagerfunktion gegenüber einem hohlzylindrischen, vorzugsweise innenverzahnten, direkt mit dem flexiblen Getriebeelement zusammenwirkenden Abtriebselement hat.
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Das Wellgetriebe ist insbesondere als Stellgetriebe in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller verwendbar. Auch die Verwendung des Wellgetriebes in einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors kommt in Betracht. Ebenso ist das Wellgetriebe als Stellgetriebe in industriellen Anlagen, beispielsweise in einem Roboter oder in einer Werkzeugmaschine, verwendbar.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wellgetriebes in einer Schnittdarstellung,
- 2 ein Detail des Wellgetriebes nach 1,
- 3 ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wellgetriebes in einer Schnittdarstellung.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide 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 eines Verbrennungsmotors. Hinsichtlich des grundsätzlichen Aufbaus und der Funktion des Wellgetriebes 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Das Wellgetriebe 1 weist ein Antriebselement 2 auf, welches als drehbares Gehäuseelement gestaltet und in den Ausführungsbeispielen einstückig mit einem Kettenblatt 3 ausgebildet ist. Das Kettenblatt 3 wird in an sich bekannter Weise über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben, wobei es mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert.
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Ein Abtriebselement 4 des Wellgetriebes 1 ist als Hohlrad gestaltet und fest mit einer nicht dargestellten Nockenwelle des Verbrennungsmotors verbunden. Hierbei greift ein Zapfen 5 des Abtriebselementes 4 in die Nockenwelle ein. Verbindungsmittel zwischen dem Abtriebselement 4 und der Nockenwelle, insbesondere in Form einer Zentralschraube, sind in den Figuren nicht dargestellt. Ein Sicherungsring 6 dient der Sicherung des Abtriebselementes 4 innerhalb des Gehäuseelementes 2 in axialer Richtung. In der Gegenrichtung ist eine axiale Sicherung durch einen Innenflansch 7 gegeben, welcher unmittelbar durch das Gehäuseelement 2 gebildet ist.
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Das Gehäuseelement 2 ist drehfest mit einem flexiblen Getriebeelement 8 gekoppelt, welches als Kragenhülse ausgebildet ist. Der Flansch, das heißt Kragen, des flexiblen Getriebeelementes 8 ist mit 9 bezeichnet. Der Kragen 9 geht an seinem inneren Rand in einen zylindrischen Abschnitt 10 über, welcher mit einer Außenverzahnung 11 versehen ist. Die Außenverzahnung 11 greift in an sich bekannter Weise partiell in eine Innenverzahnung 12 ein, welche unmittelbar durch das Abtriebselement 4 gebildet ist.
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Zur Verformung des flexiblen Getriebeelementes 8 beim Betrieb des Wellgetriebes 1 ist ein Wellgenerator 13 vorgesehen. Der Wellgenerator 13 umfasst ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager 14. Auf einem Innenring 15 des Wälzlagers 14 rollen Kugeln als Wälzkörper 16 ab, welche in einem Käfig 17 geführt sind. Der Innenring 15 weist eine nicht kreisrunde, elliptische Form auf. Der Antrieb des Innenrings 15 erfolgt über eine Ausgleichkupplung in Form einer Oldham-Kupplung 36. Über die Oldham-Kupplung 36 ist der Innenring 15 drehfest mit einer Motorwelle eines nicht dargestellten Elektromotors gekoppelt.
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Als weiteren Lagerring zusätzlich zum Innenring 15 weist das Wälzlager 14 einen Außenring 18 auf. Im Unterschied zum Innenring 15 handelt es sich beim Außenring 18 um ein nachgiebiges Bauteil. Durch die Wälzkörper 16 wird der Außenring 18 permanent in eine unrunde Form entsprechend der Form des Innenrings 15 gezwungen. Der mit der Außenverzahnung 11 versehene Bereich des zylindrischen Abschnitts 10 umgibt unmittelbar den Außenring 18, ohne mit diesem fest verbunden zu sein. In grundsätzlich bekannter Weise werden die Verzahnungen 11, 12 lediglich an zwei Stellen, nämlich im Bereich der Großachse des Innenrings 15, in Eingriff miteinander gebracht. Eine geringfügig unterschiedliche Zahl der Zähne der Außenverzahnung 11 einerseits und der Innenverzahnung 12 andererseits sorgt in an sich bekannter Weise dafür, dass eine volle Umdrehung des Innenrings 15, bezogen auf die Winkellage des Gehäuseelementes 2, in eine vergleichsweise geringe Verschwenkung zwischen dem Gehäuseelement 2 und dem Abtriebselement 4 umgesetzt wird. Das Wellgetriebe 1 fungiert damit als hochuntersetztes Stellgetriebe.
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Der dem Wälzlager 14 zuzurechnende Außenring 18 ist in Axialrichtung auf der einen Seite durch den Boden des als Hohlrad ausgebildeten Abtriebselementes 4 gesichert. In der entgegengesetzten Richtung ist eine axiale Sicherung des Außenrings 18 und damit des gesamten Wellgenerators 13 durch einen Frontdeckel 19 gegeben, welcher am Gehäuseelement 2 befestigt ist. Hierbei kann der Außenring 18 an einem Innenbord 20 anlaufen, welcher unmittelbar durch den Frontdeckel 19 gebildet ist und einen inneren hülsenförmigen Abschnitt 21 des Frontdeckels 19 abschließt. Der innere hülsenförmige Abschnitt 21 des Frontdeckels 19 ist koaxial innerhalb des zylindrischen Abschnitts 10 der Kragenhülse 8 angeordnet. Auf seiner dem Innenbord 20 gegenüberliegenden Stirnseite geht der innere hülsenförmige Abschnitt 21 in einen Flanschabschnitt 22 über, welcher dem Kragen 9 vorgelagert ist.
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Im Flanschabschnitt 22 des Deckels 19, das heißt Frontdeckels, befinden sich mehrere kreisrunde Öffnungen 27. An seinem äußeren Rand geht der Flanschabschnitt 22, welcher in einer zur Mittelachse des Wellgetriebes 1 normalen, zum Kragen 9 parallelen Ebene liegt, in einen äußeren Hülsenabschnitt 24 über. Innerhalb des äußeren Hülsenabschnitts 24 ist eine Einprägung 25 erkennbar, welche formschlüssig in eine Vertiefung 26 eingreift. Bei den Ausführungsbeispielen handelt es sich bei der Vertiefung 26 um eine ringförmig umlaufende Rille. Ebenso könnte es sich bei den Einprägungen 25 um einzelne Prägepunkte handeln, welche in korrespondierende Gegenkonturen als Vertiefungen 26 eingreifen.
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Im Unterschied zum Frontdeckel 19 ist das flexible Getriebeelement 8 nicht starr mit dem Gehäuseelement 2 verbunden. Im Kragen 9 befinden sich kreisrunde Öffnungen 23, allgemein als Aussparungen bezeichnet, welche einen geringeren Durchmesser als die frontseitigen Öffnungen 27 im Deckel 19 haben. Der Rand einer jeden Aussparung 23 ist durch einen gezogenen Dom 28 gebildet. Der Dom 28 greift in die frontseitige Öffnung 27 im Deckel 19 ein, wobei ein Ringspalt 33 zwischen dem Dom 28 und dem Rand der frontseitigen Öffnung 27 verbleibt. Dies gilt sowohl für das Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2, bei welchem der Dom 28 eine zylindrische Form aufweist, als auch für das Ausführungsbeispiel nach 3, bei welchem der Dom 28 ballig geformt ist.
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Der Dom 28 umgibt in beiden Fällen spielarm einen Zapfen 29, welcher in eine Durchgangsbohrung 34 im Gehäuseelement 2 eingepresst ist und stirnseitig aus dem Gehäuseelement 2 herausragt. Die Zapfen 29 werden allgemein als Befestigungselemente bezeichnet. Außerhalb der gezogenen Dome 28, welche gleichmäßig am Umfang des Kragens 9 verteilt sind, weist der Kragen 9 eine ebene Form auf. Der Kragen 9 befindet sich hierbei in einem Hohlraum, welcher zwischen dem Flanschabschnitt 22 des Frontdeckels 19 und der Stirnseite des Gehäuseelementes 2 gebildet ist. Innerhalb dieses Hohlraums ist der Kragen 9 in Axialrichtung verschiebbar. Zur Veranschaulichung dieser Verschiebbarkeit sind in 3 zwei Spalträume SP1, SP2 markiert, welche in gleicher Weise auch bei der Anordnung nach 2 gegeben sind.
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In 3 ist ein linienförmiger Kontaktbereich 30 gekennzeichnet, welcher zwischen dem Zapfen 29 und dem Dom 28 gegeben ist. Ein solcher Kontaktbereich 30 existiert auch bei der Ausführungsform nach 1, hat dort jedoch aufgrund der zylindrischen Gestalt des Doms 28 eine in Axialrichtung breitere Ausdehnung.
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In der Gestaltung nach 3 stellt der Kontaktbereich 30 einen Linienkontakt zwischen dem Zapfen 29 und dem Kragen 9 dar. Mit 31 ist eine Verrundung bezeichnet, welche am Übergang zwischen dem Dom 28 und dem flächigen Abschnitt des Kragens 9 gebildet ist. Ein auf der gegenüberliegenden Seite an den Kontaktbereich 30 anschließender aufgeweiteter Bereich des Doms 28 ist mit 32 bezeichnet. Zusammen mit der Verrundung 31 sorgt der trichterförmig aufgeweitete Bereich 32 dafür, dass zwischen dem Zapfen 29 und dem Kragen 9 eine zumindest geringfügig gelenkartige Lagerung gegeben ist. Zugleich ist in Umfangsrichtung höchstens ein geringes Spiel zwischen der Kragenhülse 8 und dem Gehäuseelement 2 gegeben. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass in jedem Betriebszustand die Innenverzahnung 12 in genau definierter Weise in die Außenverzahnung 11 eingreift. Der Verdrehwinkel des Abtriebselementes 4, welches die Innenverzahnung 12 aufweist, in Relation zum Gehäuseelement 2 ist durch Verdrehsicherungskonturen 35 begrenzt. Die Verdrehsicherungskonturen 35 befinden sich einerseits an dem durch diese Konturen unterbrochenen Innenflansch 7 des Gehäuseelementes 2 und andererseits unmittelbar am Abtriebselement 4, nämlich an der offenen, dem Boden des Abtriebselementes 4 gegenüberliegenden Stirnseite des Abtriebselementes 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Antriebselement, Gehäuseelement
- 3
- Kettenblatt
- 4
- Abtriebselement, Hohlrad
- 5
- Zapfen
- 6
- Sicherungsring
- 7
- Innenflansch
- 8
- flexibles Getriebeelement, Kragenhülse
- 9
- Kragen
- 10
- zylindrischer Abschnitt
- 11
- Außenverzahnung
- 12
- Innenverzahnung
- 13
- Wellgenerator
- 14
- Wälzlager, Kugellager
- 15
- Innenring
- 16
- Wälzkörper, Kugel
- 17
- Käfig
- 18
- Außenring
- 19
- Frontdeckel
- 20
- Innenbord
- 21
- innerer hülsenförmiger Abschnitt
- 22
- Flanschabschnitt
- 23
- Öffnung im Kragen, Aussparung
- 24
- äußerer Hülsenabschnitt
- 25
- Einprägung
- 26
- Vertiefung, Rille
- 27
- frontseitige Öffnung
- 28
- Dom, gezogen
- 29
- Zapfen, Zylinderstift, Befestigungselement
- 30
- Kontaktbereich
- 31
- Verrundung
- 32
- aufgeweiteter Bereich
- 33
- Ringspalt
- 34
- Durchgangsbohrung
- 35
- Verdrehsicherungskontur
- 36
- Oldham-Kupplung
- SP1, SP2
- Spalträume
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017/041802 A1 [0002]
- WO 2017/041800 A1 [0003]
- DE 102017111682 A1 [0004]
- DE 102016207612 A1 [0004]
- DE 102016207046 A1 [0004]
- DE 102016201590 A1 [0004]
