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Die Erfindung betrifft ein für die Verwendung als Stellgetriebe in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller geeignetes Wellgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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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Aus der
WO 89/12767 A1 ist eine Dämpfungseinrichtung für eine mit einem Zahnrad versehene Welle bekannt. Diese Dämpfungseinrichtung ist zur Verwendung in einer Andrehvorrichtung einer Brennkraftmaschine vorgesehen und zeichnet sich durch ein zwischen Welle und Zahnrad angeordnetes, als Kraftübertragungselement dienendes Dämpfungsglied aus, womit Stöße und Drehmomentspitzen, die auf die Welle oder das Zahnrad einwirken, abgebaut werden sollen.
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In zahlreichen Komponenten eines Verbrennungsmotors werden, bedingt durch die Arbeitsweise des Motors, Schwingungen eingebracht. Dies gilt auch für den Nockenwellenantrieb eines Verbrennungsmotors, welcher typischerweise als Ketten- oder Riementrieb gestaltet ist. Die Schwingungen sind nicht nur vom Ketten- beziehungsweise Riementrieb selbst, sondern auch von damit in Wirkverbindung stehenden Komponenten, insbesondere einer Einrichtung zur Verstellung des Phasenverhältnisses zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle, aufzunehmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein als Stellgetriebe eines Verbrennungsmotors geeignetes Wellgetriebe gegenüber dem Stand der Technik insbesondere hinsichtlich mechanischer Belastungen, welche durch Schwingungen entstehen, weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Wellgetriebe weist in prinzipiell bekannter Grundkonzeption ein flexibles, als Kragenhülse ausgebildetes Getriebeelement auf, wobei zumindest in einer Richtung ein Freiheitsgrad der Halterung des Kragens des Getriebeelementes an dem Gehäuseelement gegeben ist. Erfindungsgemäß ist zwischen Bohrungen im Kragen des Getriebeelementes und bolzenförmigen, mit dem Gehäuseelement verbundenen Befestigungselementen jeweils eine Dämpfungshülse eingesetzt.
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Mit Hilfe der Dämpfungshülsen ist der Kragen und damit das elastische Getriebeelement als Ganzes gedämpft am Gehäuseelement aufgehängt. Die Dämpfungshülsen sind derart ausgebildet, dass eine dämpfende Wirkung in mehreren Belastungsrichtungen, nämlich sowohl bei Belastungen in Tangentialrichtung des Getriebeelements, das heißt bei Torsionsbelastungen, als auch bei Belastungen in Radialrichtung des insgesamt ringförmigen elastischen Getriebeelementes gegeben ist.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein als Stellgetriebe eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers fungierendes Wellgetriebe Schwingungen ausgesetzt ist, die über den Nockenwellenantrieb, insbesondere Ketten- oder Riementrieb, übertragen werden. Bei den Bauteilen des Wellgetriebes handelt es sich in unterschiedlichem Maße um schwingungsfähige Teile. Von besonderem Belang ist die Schwingungsfähigkeit eines Systems, welches eine Nockenwelle und einen Nockenwellenversteller einschließlich einer Kragenhülse, welche prinzipbedingt als elastisch nachgiebiges Bauteil ausgeführt sein muss, umfasst.
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Im Wellgetriebe können bei verschiedenen Frequenzen Resonanzen auftreten. Ein denkbarer Ansatz, nachteiligen Auswirkungen solcher Resonanzen entgegenzuwirken, wäre die Vergrößerung rotierender Massen oder die Verwendung von Teilen mit geänderter Massenverteilung, um Trägheitsmomente innerhalb des Wellgetriebes zu erhöhen.
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Die Erfindung wählt dagegen einen hiervon abweichenden Ansatz, indem durch die Dämpfungshülsen, über welche die Kragenhülse mit dem in sich starren Gehäuseelement gekoppelt ist, sowohl Schwingungsamplituden gemindert als auch Resonanzen in einen tieferen Frequenzbereich verschoben werden. Auf diese Weise werden mechanische Belastungen des gesamten Wellgetriebes, nicht nur des elastischen Getriebeelementes, im Vergleich zu herkömmlich aufgebauten Wellgetrieben reduziert. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine durch die Dämpfungshülsen zwangsweise gegebene Elastizität in Umfangsrichtung des Kragens für die Präzision und Betriebssicherheit des Wellgetriebes ohne Belang ist.
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Bei der Dämpfungshülse handelt es sich im einfachsten Fall um eine Kunststoffhülse. In bevorzugter Ausgestaltung weist die Dämpfungshülse eine Metallhülse auf, welche mit Kunststoff ummantelt ist. Ebenso sind Ausgestaltungen realisierbar, bei welchen eine Kunststoffzwischenlage eine innere Metallhülse mit einer äußeren Metallhülse der Dämpfungshülse verbindet.
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Unabhängig davon, ob die Dämpfungshülse aus einem einzigen Werkstoff oder aus einem Materialmix aufgebaut ist, kann sie beispielsweise kreisrund geformt sein, wobei sie spielfrei sowohl eines der bolzenförmigen Befestigungselemente als auch eine kreisrunde Bohrung im Kragen des Getriebeelementes kontaktiert. Die bolzenförmigen Befestigungselemente können hierbei, wie auch in allen anderen Ausführungsformen, entweder als gesonderte Elemente, insbesondere Schrauben, ausgeführt sein, welche starr mit dem Gehäuseelement verbunden sind, oder unmittelbar durch das Gehäuseelement selbst gebildet sein. Im letztgenannten Fall kann eine axiale Sicherung des elastischen Getriebeelementes beispielsweise durch einen dem Kragen vorgesetzten Deckel gegeben sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind zwischen der Dämpfungshülse und der Bohrung im Kragen des Getriebeelementes Freiräume gebildet. Die Gestalt dieser Freiräume hängt von einer zwischen dem elastischen Getriebeelement und dem Gehäuseelement wirkenden Kraft, insbesondere von einem Drehmoment, mit welchem die Kragenhülse belastet ist, ab. Beispielsweise existieren zwei Freiräume zwischen der Außenumfangsfläche der Dämpfungshülse und dem Rand der Bohrung, wobei jeder dieser Freiräume im mechanisch unbelasteten Zustand der Dämpfungshülse halbmondartig geformt ist. Diese Form ergibt sich insbesondere aus einer elliptischen, nicht kreisrunden Außenkontur der Dämpfungshülse in Kombination mit einer kreisrunden Bohrung im Kragen des Getriebeelementes. Die Innenkontur der Dämpfungshülse ist dagegen ebenso wie die Außenkontur des bolzenförmigen Befestigungselementes vorzugsweise kreisrund.
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Die nicht kreisrunde Querschnittsgestaltung der Dämpfungshülse ist besonders geeignet zur Realisierung einer nicht linearen Federcharakteristik der elastischen, gedämpften Aufhängung der Kragenhülse am Gehäuseelement des Wellgetriebes. Hierbei ist bei kleinen Verdrehwinkeln zwischen dem elastischen Getriebeelement und dem Gehäuseelement vorzugsweise eine geringe Federhärte gegeben. Zu größeren Verdrehwinkeln hin steigt die Federhärte signifikant an, womit eine progressive Federkennlinie vorliegt. Damit ist auf der einen Seite ein besonders wirksamer Effekt der Schwingungsentkopplung des Wellgetriebes von Schwingungen im Ketten- oder Riementrieb gegeben, während auf der anderen Seite stets ein definierter Zahneingriffs innerhalb des Wellgetriebes existiert.
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Die progressive Federcharakteristik drückt sich in einer Kennlinie aus, welche die Abhängigkeit des zwischen dem Gehäuseelement und der Kragenhülse wirkenden Drehmoments von dem Auslenkwinkel zwischen den genannten Teilen beschreibt und eine mit zunehmendem Betrag des Auslenkwinkels zunehmende Steigung aufweist.
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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 Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teils schematisiert:
- 1 ein Wellgetriebe in einer Schnittdarstellung,
- 2 eine Dämpfungshülse des Wellgetriebes nach 1,
- 3 in einem Diagramm die Federcharakteristik einer Dämpfungshülse eines Wellgetriebes,
- 4 die Dämpfungshülse, mit welcher die Federcharakteristik nach 3 erzielbar ist.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Bei einer insgesamt mit 1 bezeichneten Stellvorrichtung handelt es sich um einen elektromechanischen Nockenwellenversteller eines nicht weiter dargestellten Verbrennungsmotors. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Stellvorrichtung 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Die Stellvorrichtung 1 umfasst einen Elektromotor 2 und ein Stellgetriebe in Form eines Wellgetriebes 3. Das Wellgetriebe 3 ist in prinzipiell bekannter Weise als Dreiwellengetriebe aufgebaut, wobei die mit 4 bezeichnete Motorwelle des Elektromotors 2 als eine der drei Wellen fungiert. Die Motorwelle 4 betätigt einen Wellgenerator 5 des Wellgetriebes 3. Eine weitere Welle des Wellgetriebes 3 ist durch ein Gehäuseelement 6 gebildet, welches als Ganzes drehbar ist und über einen nicht dargestellten Ketten- oder Riementrieb angetrieben wird. Die dritte Welle des Wellgetriebes 3 liegt in Form einer Abtriebswelle 7 vor, welche im Ausführungsbeispiel nach 1 einstückig mit einem Hohlrad 8 verbunden ist. Die Abtriebswelle 7 ist fest mit der anzutreibenden Nockenwelle verbunden. Die mit M bezeichnete Mittelachse der Abtriebswelle 7 ist mit der Mittelachse der gesamten Stellvorrichtung 1 sowie mit der Rotationsachse der Nockenwelle identisch.
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Am Gehäuseelement 6 ist mit Hilfe mehrerer Schrauben 9, deren Köpfe mit 10 bezeichnet sind, ein flexibles Getriebeelement 11 gehalten, welches als Kragenhülse ausgeführt ist. Der mit 12 bezeichnete Kragen des flexiblen Getriebeelementes 11 geht an seinem inneren Rand in einen zylindrischen Abschnitt 13 über, welcher eine Außenverzahnung 14 aufweist. Die Außenverzahnung 14 greift partiell in eine Innenverzahnung 15 ein, welche durch das Hohlrad 8 gebildet ist. Die Kragenhülse 11 ist in flexibler Weise am Gehäuseelement 6 befestigt. Zu diesem Zweck ist jede Schraube 9 von einer Hülse 16, die elastisch nachgiebige Eigenschaften hat und als Dämpfungshülse wirkt, umgeben. In der Bauform nach den 1 und 2 weist die Hülse 16 einen Metallkern 17 auf, welcher von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben ist. Hierbei ist der Metallkern 17 ebenso wie die Kunststoffummantelung 18, sofern sie mechanisch nicht belastet ist, zylindrisch geformt. Gemäß der alternativen Bauform nach 4, welche ebenfalls für das Wellgetriebe 3 nach 1 geeignet ist, weist die Hülse 16, welche in diesem Fall komplett aus Kunststoff gefertigt ist, eine nicht kreisrunde, elliptische Außenkontur AK und eine kreisrunde Innenkontur IK auf.
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In nicht dargestellter Weise könnte auch die Hülse 16 nach 4 einen zylindrischen Metallkern 17 aufweisen. In jeder Gestaltung der Hülse 16 sorgt diese dafür, dass eine signifikant elastisch nachgiebige Aufhängung des Kragens 12 und damit des gesamten Getriebeelementes 11, insbesondere was Belastungen in Tangentialrichtung, das heißt Torsionsbelastungen, betrifft, gegeben ist.
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Beim Betrieb des Wellgenerators 5 ist das flexible Getriebeelement 11 Verformungen unterworfen. Mit der Motorwelle 4 des Elektromotors 2 ist - optional über eine nicht dargestellte Ausgleichskupplung - ein Innenring 19 eines Wälzlagers 20, nämlich Kugellagers, drehfest verbunden. Auf der nicht kreisrunden, elliptischen Kugellaufbahn des Innenrings 19 rollen Wälzkörper 21, das heißt Kugeln, ab. Durch die Kugeln 21 wird der zylindrische Abschnitt 13 in seinem mit der Außenverzahnung 14 versehenen Bereich permanent in eine unrunde, der Form des Innenrings 19 angepasste Form gezwungen, wobei zwischen den Wälzkörpern 21 und der Innenumfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 13 ein nicht dargestellter, verformbarer Außenring des Wälzlagers 20 angeordnet ist. Der Verzahnungseingriff zwischen der Außenverzahnung 14 und der Innenverzahnung 15 ist ausschließlich im Bereich der Großachse des Innenrings 19 gegeben.
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Solange die Motorwelle 4 mit der Drehzahl des Gehäuseelements 6, das heißt mit halber Kurbelwellendrehzahl des Verbrennungsmotors, rotiert, rotiert auch die Abtriebswelle 7 mit dieser Drehzahl. In diesem Betriebszustand findet somit keine Verstellung der Nockenwelle statt. Weicht die Drehzahl der Motorwelle 4 von der Drehzahl des Gehäuseelements 6 ab, wandert der Eingriffsbereich zwischen den Verzahnungen 14, 15 entlang des Umfangs des Getriebeelementes 11 sowie des Hohlrades 8. Durch eine geringfügig unterschiedliche Zähnezahl zwischen der Außenverzahnung 14 und der Innenverzahnung 15 wird eine volle Umdrehung des Innenrings 19, bezogen auf die Winkelstellung des Gehäuseelements 6, in eine vergleichsweise kleine Verdrehung zwischen dem Gehäuseelement 6 und der Abtriebswelle 9 umgesetzt. Das Wellgetriebe 3 fungiert damit als hochuntersetztes Stellgetriebe. Anschläge, die den Verstellbereich zwischen der Abtriebswelle 7 und dem Gehäuseelement 6 begrenzen, sind nicht dargestellt.
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Der in 3 mit α bezeichnete Verdrehwinkel zwischen dem Getriebeelement 11 und dem Gehäuseelement 6 hängt von den zwischen den genannten Teilen 6, 11 wirkenden Drehmoment T ab, wie in 3 veranschaulicht ist. Das Diagramm nach 3 bezieht sich auf die Gestaltung der Hülse 16 gemäß 4. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, ist ein nicht linearer Zusammenhang zwischen dem Verdrehwinkel a, auch als Auslegungswinkel bezeichnet, und dem Drehmoment T gegeben. Insgesamt beschreibt dieser Zusammenhang eine progressive Kennlinie KL. Die Kennlinie KL ist punktsymmetrisch bezüglich des Nullpunkts des Diagramms. Dies bedeutet, dass keine Abhängigkeit zwischen der Richtung der Auslenkung des Getriebeelements 11 und den daraus resultierenden Kräften gegeben ist. Bei kleinen Auslenkungswinkeln α beschreibt die Kennlinie KL einen flachen Kennlinienbereich KBa. In diesem Bereich ist eine geringe Federhärte der Hülse 16 gegeben. Eine zwischen der Hülse 16 und dem Rand einer Bohrung im Kragen 12 wirkende Kraft F, wie in 4 veranschaulicht, bewirkt lediglich einen kleinflächigen Kontakt zwischen der Hülse 16 und dem Kragen 12. In diesem Zustand sind innerhalb der Bohrung, in welcher sich die Schraube 9 samt Hülse 16 befindet, zwei Freiräume 22, 23 gebildet, welche jeweils eine halbmondartige Gestalt haben.
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Mit größer werdender Kraft F, welche in Tangentialrichtung des Getriebeelementes 11 wirkt und damit einem größer werdenden Drehmoment T entspricht, vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen der Kunststoffummantelung 18 der Hülse 16 und dem Rand der Bohrung im Kragen 12, was eine zunehmende Federhärte der Hülse 16 bedeutet. Diese zunehmende Federhärte zeigt sich in einem Kennlinienbereich KBb, welcher im Diagramm nach 3 durch eine im Vergleich zum Kennlinienbereich KBa deutlich größere Steigung erkennbar ist. Zwischen den Kennlinienbereichen KBa, KBb ist ein gleitender, knickfreier Übergang gegeben. In nicht dargestellter Weise kann zu großen positiven oder negativen Auslenkungswinkeln α hin eine weitere Steigerung der Steigung der Kennlinie KL gegeben sein. Schon durch die Dimensionierung der Öffnungen im Kragen 12, welche jeweils von einer Schraube 9 durchdrungen sind, ist der Absolutwert des Auslenkungswinkels α begrenzt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Außenverzahnung 14 des Getriebeelementes 11 stets in der vorgesehenen Weise im Eingriff mit der Innenverzahnung 15 des Hohlrades 8 bleibt. Gleichzeitig ist durch die insbesondere in Umfangsrichtung weiche Aufhängung des Getriebeelementes 11 am Gehäuseelement 6 sowohl eine teilweise Entkopplung der Schwingungen, welche über den Ketten- oder Riementrieb in die Stellvorrichtung 1 eingetragen werden, als auch eine Minderung von Spannungsspitzen, welche das flexible Getriebeelement 11 aufzunehmen hat, gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stellvorrichtung, elektromechanischer Nockenwellenversteller
- 2
- Elektromotor
- 3
- Stellgetriebe, Wellgetriebe
- 4
- Motorwelle des Elektromotors
- 5
- Wellgenerator
- 6
- Gehäuseelement
- 7
- Abtriebswelle
- 8
- Hohlrad
- 9
- Schraube, Befestigungselement
- 10
- Kopf
- 11
- flexibles Getriebeelement, Kragenhülse
- 12
- Kragen
- 13
- zylindrischer Abschnitt
- 14
- Außenverzahnung
- 15
- Innenverzahnung
- 16
- Hülse, Dämpfungshülse
- 17
- Metallkern
- 18
- Kunststoffummantelung
- 19
- Innenring
- 20
- Wälzlager
- 21
- Wälzkörper
- 22
- Freiraum
- 23
- Freiraum
- α
- Auslenkungswinkel
- AK
- Außenkontur
- F
- Kraft
- IK
- Innenkontur
- KL
- Kennlinie
- KBa
- Kennlinienbereich
- KBb
- Kennlinienbereich
- M
- Mittelachse
- T
- Drehmoment
