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Die Erfindung betrifft ein zur Verwendung als Stellgetriebe eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers geeignetes Wellgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wellgetriebes.
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Ein gattungsgemäßes Wellgetriebe ist beispielsweise aus der
DE 10 2016 217 055 A1 bekannt. Dieses Wellgetriebe weist ein als Kragenhülse ausgebildetes flexibles Getriebeelement auf, welches mit definiertem Spiel an einem als Kettenrad ausgebildeten Antriebselement gehalten ist. Das Abtriebselement des bekannten Wellgetriebes ist als Hohlrad gestaltet und im Antriebselement rotierbar gelagert.
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In einem elektromechanischen Nockenwellenversteller eines Verbrennungsmotors dient ein als Wellgetriebe oder sonstiges Dreiwellengetriebe ausgebildetes Stellgetriebe dazu, die Winkelrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu variieren. Grundsätzlich kann ein Nockenwellenversteller entweder zur Verstellung einer Auslassnockenwelle oder zur Verstellung einer Einlassnockenwelle vorgesehen sein. Je nach zu verstellender Welle können verschiedene Fail-Safe-Einstellungen des Nockenwellenverstellers vorteilhaft sein. Bei Fail-Safe-Einstellungen handelt es sich um Basis-Positionen des Stellgetriebes, welche im Notlaufbetrieb automatisch, insbesondere durch Reibung, angefahren werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wellgetriebe mit gegenüber dem genannten Stand der Technik modifizierter Funktionalität anzugeben, welches besonders für die Verstellung einer Auslassnockenwelle eines Verbrennungsmotors geeignet ist.
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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 Herstellung eines Wellgetriebes gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Wellgetriebe, und umgekehrt.
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Das Wellgetriebe umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein Antriebselement, ein als außenverzahnte Kragenhülse ausgebildetes, flexibles Getriebeelement, sowie ein Abtriebselement, wobei ein Wellgenerator zur Verformung der Kragenhülse vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist die Kragenhülse fest mit dem Abtriebselement des Wellgetriebes verbunden. Im Fall einer Verwendung des Wellgetriebes als Stellgetriebe eines Nockenwellenverstellers bedeutet dies, dass die Kragenhülse mit der Nockenwellenseite verbunden ist. Besonders eignet sich das Wellgetriebe zur Verstellung einer Auslassnockenwelle, wobei als Notlauf-Position die Früh-Position festgelegt ist. Die Angabe „Früh“ bezieht sich hierbei auf die Öffnungszeiten der Auslassventile des Verbrennungsmotors. Die Notlauf-Position ist mit einer Anschlagposition des Ausgangselementes des Wellgetriebes gleichbedeutend.
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Im grundliegenden Unterschied zu bekannten Wellgetrieben ist die Kragenhülse somit nicht am Antriebselement des Getriebes gehalten. Bei dem mit der zu verstellenden Welle zu verbindenden Abtriebselement des erfindungsgemäßen Wellgetriebes handelt es sich vorzugsweise um ein verzahnungsloses Element.
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Die Halterung des flexiblen Getriebeelementes, das heißt der Kragenhülse, am Abtriebselement des Wellgetriebes ist gleichbedeutend damit, dass das Wellgetriebe als Minusgetriebe ausgelegt ist.
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Generell handelt es sich bei einem Wellgetriebe um ein Dreiwellengetriebe. Ein Dreiwellengetriebe, wie es beispielsweise auch in Form eines Planetengetriebes vorliegen kann, ist allgemein als Minusgetriebe betreibbar, während es im Zweiwellenbetrieb läuft. Ein Minusgetriebe hat definitionsgemäß ein negatives Übersetzungsverhältnis. Bei festgehaltener weiterer Welle rotieren die Antriebswelle und die Abtriebswelle eines Minusgetriebes in einander entgegengesetzter Richtung. Der Begriff „Minusgetriebe“ wird im vorliegenden Fall auch auf den Dreiwellenbetrieb angewandt. Hierbei wird von einer Rotation der weiteren Welle, im vorliegenden Fall insbesondere eines Kettenrades, mit einer bestimmten Drehzahl ausgegangen. Die rotierende weitere Welle kann diejenige Welle sein, welche den Hauptteil der Leistung in das Getriebe einspeist, und wird als Bezugssystem betrachtet. Wird die verstellende Welle, das heißt antreibende Welle des Minusgetriebes, in Relation zu diesem Bezugssystem in eine erste Richtung verdreht, so resultiert daraus eine Verdrehung der Abtriebswelle gegenüber dem Bezugssystem in der entgegengesetzten Richtung.
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Bei einem im Dreiwellenbetrieb laufenden Wellgetriebe stellt das Antriebselement eine erste Welle und das Abtriebselement eine zweite Welle dar. Nach der im Absatz zuvor getroffenen Definition hat das Antriebselement die Funktion der weiteren Welle, welche den größten Teil der Leistung in das Getriebe einspeist und als rotierendes Bezugssystem anzusehen ist. Eine dritte Welle ist in Form eines rotierenden Elementes, in der Regel Lagerinnenrings, des in das Wellgetriebe integrierten Wellgenerators gegeben und wird typischerweise elektrisch angetrieben. Die dritte Welle hat die Funktion der verstellenden Welle im Sinne der Definitionen des vorstehenden Absatzes. Solange diese elektrisch angetriebene, zur Verstellung des Wellgetriebes vorgesehene Welle mit derselben Drehzahl wie das Antriebselement rotiert, dreht sich auch das Abtriebselement mit dieser Drehzahl. Dies gilt sowohl für ein Plusgetriebe als auch für ein Minusgetriebe.
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Im Fall eines als Plusgetriebe ausgelegten Wellgetriebes, wie es in zahlreichen Anwendungen gängig ist, bedeutet eine Erhöhung der Drehzahl der dritten Welle, das heißt des rotierenden Elementes des Wellgenerators, im Vergleich zur Drehzahl des Antriebselementes, dass auch das Abtriebselement mit derselben Verstellrichtung gegenüber dem Antriebselement verstellt wird. Drehzahländerungen beziehungsweise Verstellungen der dritten, zur Verstellung genutzten Welle und der abtriebsseitigen, mit dem Abtriebselement zu verbindenden Welle, beispielsweise Nockenwelle, finden somit im Fall eines Plusgetriebes stets gleichsinnig statt.
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Die Auslegung des erfindungsgemäßen Wellgetriebes als Minusgetriebe bedeutet umgekehrt, dass ein Abbremsen der dritten Welle, das heißt der typischerweise elektrisch angetriebenen Welle, in Relation zum Antriebselement in ein Vorauseilen des Abtriebselementes gegenüber dem Antriebselement umgesetzt wird. In analoger Weise bedeutet eine Erhöhung der Drehzahl der zur Verstellung genutzten Welle im Vergleich zur Drehzahl des Antriebselementes eine Verstellung des Abtriebselementes gegenüber dem Antriebselement, welche der Drehrichtung des Antriebselementes entgegengesetzt ist. Die Auslegung des Wellgetriebes als Minusgetriebe mit abtriebsseitiger Anbindung der Kragenhülse hat nicht nur den Vorteil, dass auf einfache Weise eine definierte Fail-Safe-Stellung des Wellgetriebes, das heißt Basis-Position für den Notlauf-Betrieb, erreichbar ist, sondern begünstigt auch einen raumsparenden, schmalen Aufbau des Wellgetriebes, wobei Komponenten gleicher Geometrie auch für Plusgetriebe verwendbar sind.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist das Abtriebselement als Abtriebsscheibe ausgebildet, welche mit einer Axiallagerscheibe derart fest verbunden ist, dass das Antriebselement zwischen dem Abtriebselement und der Axiallagerscheibe in Axialrichtung beidseitig gelagert ist, wobei der Kragen der Kragenhülse an der Axiallagerscheibe befestigt ist.
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Hierbei ist durch Abtriebselement und die Axiallagerscheibe eine in sich starre Baugruppe gebildet. Durch Konturen des Antriebselementes einerseits sowie der genannten Baugruppe andererseits ist in vorteilhafter Ausgestaltung eine Verdrehwinkelbegrenzung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement gebildet.
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Zur Realisierung der Verdrehwinkelbegrenzung weist beispielsweise das Abtriebselement stirnseitige, Verdrehsicherungskonturen bereitstellende Fortsätze auf, welche in Öffnungen des Antriebsrades, die korrespondierende Verdrehsicherungskonturen aufweisen, eingreifen, wobei die Fortsätze durch Schraubverbindungen fest mit der Axiallagerscheibe verbunden sind.
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Unabhängig von der Art der Verdrehwinkelbegrenzung kann der Kragen der Kragenhülse zusätzlich zu Befestigungsöffnungen langgestreckte, sich in Umfangsrichtung des Kragens erstreckende, jeweils einer Befestigungsöffnung zugeordnete Ausnehmungen aufweisen. Eine derartige Gestaltung einer Kragenhülse ist grundsätzlich zum Beispiel aus der
DE 10 2016 208 536 B3 bekannt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist dem Kragen, das heißt Flansch, der Kragenhülse ein ebenfalls kragenförmiger, fest mit der Axiallagerscheibe verbundener Frontdeckel vorgesetzt, welcher als Axialsicherungselement gegenüber dem Wellgenerator fungiert.
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Beim Antriebselement des Wellgetriebes handelt es sich vorzugsweise um ein Getriebeelement eines Umschlingungsgetriebes, das heißt um ein Kettenrad oder Riemenrad. Ebenso ist ein Antrieb des Antriebselementes über ein sonstiges Getriebe, beispielsweise ein Stirnradgetriebe, möglich. In allen Fällen ist die in sich starre Verzahnung des Wellgetriebes, welche mit der Verzahnung der Kragenhülse kämmt, vorzugsweise unmittelbar durch das Antriebselement gebildet.
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Das Wellgetriebe ist in folgenden Schritten herstellbar:
- - Bereitstellung eines eine Innenverzahnung aufweisenden, als Getriebeelement eines Umschlingungsgetriebes ausgebildeten Antriebselementes, welches eine Anzahl an seinem Umfang verteilter, radial außerhalb der Innenverzahnung angeordneter schlitzförmiger Öffnungen aufweist,
- - Bereitstellung eines Abtriebselementes und einer zur festen Verbindung mit diesem Element vorgesehenen Axiallagerscheibe, wobei mindestens eines der Elemente Abtriebselement und Axiallagerscheibe eine Anzahl am Umfang verteilter Fortsätze aufweist, die zur Verbindung mit dem jeweils anderen Element vorgesehen sind, und wobei die Anzahl und Form der Fortsätze auf die Konturen der schlitzförmigen Öffnungen derart abgestimmt ist, dass die Fortsätze unter Erhaltung einer beschränkten Verdrehbarkeit zwischen dem Antriebselement einerseits und der das Abtriebselement und die Axiallagerscheibe umfassenden Baugruppe andererseits in die Schlitze eingesetzt werden können,
- - Bereitstellung einer Kragenhülse, welche eine mit der Innenverzahnung des Antriebselementes korrespondierende Außenverzahnung aufweist,
- - Sandwichartige Platzierung des Antriebselementes zwischen dem Abtriebselement und der Axiallagerscheibe und Befestigung des Kragens der Kragenhülse an der Axiallagerscheibe unter Herstellung einer festen Verbindung zwischen den drei Elementen Kragenhülse, Abtriebselement und Axiallagerscheibe.
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Das Antriebselement ist innerhalb der Baugruppe aus Abtriebselement und Axiallagerscheibe vorzugsweise unmittelbar durch die beiden Elemente Abtriebselement und Axiallagerscheibe sowohl in beiden Axialrichtungen als auch in Radialrichtung gleitgelagert. Im Unterschied zu bekannten Wellgetrieben, bei denen das Kettenrad, eventuell in Verbindung mit weiteren, daran befestigten Teilen, die Gestalt eines Gehäuses hat, bildet beim erfindungsgemäßen Wellgetriebe die Baugruppe, welche das Abtriebselement, die Axiallagerscheibe sowie optional den Frontdeckel umfasst, das Gehäuse des Wellgetriebes. Die zu verstellende Welle, das heißt Nockenwelle im Fall eines Nockenwellenverstellers, ist somit drehfest an das Gehäuse des Wellgetriebes angebunden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein Wellgetriebe in Explosionsdarstellung,
- 2 das Wellgetriebe in einer Schnittdarstellung,
- 3 das Wellgetriebe in rückseitiger Ansicht,
- 4 das Wellgetriebe in einer weiteren Schnittdarstellung,
- 5 das Wellgetriebe in frontseitiger Ansicht,
- 6 einen Schnitt B-B der Anordnung nach 4.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wellgetriebe wird als Stellgetriebe eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers eines Verbrennungsmotors eingesetzt. Das Wellgetriebe 1 weist eine Kragenhülse 2 als flexibles Getriebebauteil auf. Als Antriebselement 6 des Wellgetriebes 1 ist ein Kettenrad vorgesehen, dessen verzahnter Abschnitt mit 3 bezeichnet ist. Das Antriebselement 6 weist insgesamt fünf schlitzförmige, das heißt in Umfangsrichtung langgestreckte, Öffnungen 7 auf. Die Öffnungen 7 sind in einem ringscheibenförmigen Bereich radial außerhalb einer Innenverzahnung 8 des Antriebselements 6 angeordnet. Am inneren Rand des verzahnten, scheibenförmigen Abschnitts 3 schließt an diesen ein kurzer zylindrischer Abschnitt 9 des Antriebselements 6 an. Die Innenverzahnung 8 ist an der Innenumfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 9 ausgebildet.
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Das Antriebselement 6 ist zwischen einer Axiallagerscheibe 4 und einem Abtriebshohlrad, welches allgemein als Abtriebselement 14 bezeichnet wird, gelagert.
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Die Axiallagerscheibe 4 weist insgesamt fünf Bohrungen 5 auf, welche entsprechend der Anordnung der Öffnungen 7 gleichmäßig am Umfang der Axiallagerscheibe 4 verteilt sind. In entsprechender Anordnung befinden sich an der dem Antriebselement 6 zugewandten Stirnseite des Abtriebselements 14 fünf zapfenförmige Fortsätze 26. In jedem der Fortsätze 26 befindet sich ein Innengewinde 25 für eine Schraube 24. Beim Zusammenbau des Wellgetriebes 1 werden die Schrauben 24 unter anderem durch die Bohrungen 5 hindurchgesteckt und in die Fortsätze 26 eingeschraubt, so dass ein fester Verbund zwischen der Axiallagerscheibe 4 und dem Abtriebselement 14 gebildet ist.
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Das Abtriebselement 14 weist die Form eines flachen Topfes auf, dessen ringförmiger Randbereich mit 31 bezeichnet ist. Die Fortsätze 26 ragen aus dem ringförmigen Randbereich 31 heraus. Ein innerhalb des ringförmigen Randbereichs 31 angeordneter Boden 32 des Abtriebselements 14 ist nicht geschlossen. Der Rand einer Öffnung 34 im Boden 32 ist als Zapfen 33 ausgebildet. Beim Einbau des Wellgetriebes 1 in einen Verbrennungsmotor ist durch die Öffnung 34 eine nicht dargestellte Zentralschraube durchzustecken und in der zu verstellenden Nockenwelle, nämlich Auslassnockenwelle, festzuschrauben.
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Die Kragenhülse 2 ist unmittelbar an der Axiallagerscheibe 4 befestigt und weist zu diesem Zweck Bohrungen als Befestigungsöffnungen18 auf. Die Befestigungsöffnungen 18 befinden sich im mit 17 bezeichneten Kragen der Kragenhülse 2, welcher allgemein auch als scheibenförmiger Abschnitt oder Flansch bezeichnet wird. An den inneren Rand des Kragens 17 schießt ein zylindrischer, außenverzahnter Abschnitt 16 der Kragenhülse 2 an. Die mit 15 bezeichnete Außenverzahnung der Kragenhülse 2 wird beim Zusammenbau des Wellgetriebes 1 in die Innenverzahnung 8 des Antriebselements 6 eingesetzt.
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Die Kragenhülse 2 weist ferner langgestreckte Ausnehmungen 19 im Kragen 17 auf. Hierbei befindet sich jeweils eine Ausnehmung 19 radial innerhalb - bezogen auf die mit der Mittelachse des Wellgetriebes 1 sowie der Rotationsachse der Nockenwelle identische Mittelachse der Kragenhülse 2 - einer Befestigungsöffnung 18 im Kragen 17, wobei jede Ausnehmung 19 seitlich, das heißt in Umfangsrichtung, über die zugeordnete Befestigungsöffnung 18 hinaus ragt und in den über die Befestigungsöffnung 18 hinausragenden Abschnitten im Vergleich zum mittleren Abschnitt aufgeweitet ist. Durch die Ausnehmungen 19 ist die Nachgiebigkeit der Kragenhülse 2 im Vergleich zu Kragenhülsen ohne derartige Ausnehmungen deutlich heraufgesetzt, wobei die Steifigkeit in Umfangsrichtung hiervon nicht beeinträchtigt ist.
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Zur Verformung der Kragenhülse 2 beim Betrieb des Wellgetriebes 1 ist ein Wellgenerator 12 vorgesehen, der ein Wälzlager 13, nämlich Kugellager, umfasst. Das Wälzlager 13 weist einen Innenring 20 mit nicht kreisrunder, elliptischer Außenumfangsfläche auf. Auf dem Innenring 20 rollen Kugeln 36 als Wälzkörper ab. Im Innenring 20 sind zwei Bolzen 35 befestigt, die Komponenten einer nicht weiter dargestellten Ausgleichskupplung sind. Über diese Ausgleichskupplung wird der Innenring 20 elektrisch angetrieben.
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Ein Außenring 37 des Wälzlagers 13 ist im Unterschied zum Innenring 20 nachgiebig und passt sich permanent der nicht kreisrunden Form des Innenrings 20 an. Der mit der Außenverzahnung 15 versehene Abschnitt der Kragenhülse 2 umgibt unmittelbar den Außenring 37. Der Wellgenerator 12 zwingt somit die Außenverzahnung 15 ausschließlich im Bereich der Großachse des Innenrings 20 im Eingriff mit der Innenverzahnung 8. Die Zähnezahlen der Innenverzahnung 8 einerseits und der Außenverzahnung 15 weisen geringfügig, nämlich um zwei, voneinander ab. Hierbei ist die Anzahl der Zähne der Innenverzahnung 8 größer als die Anzahl der Zähne der Außenverzahnung 15.
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Wird der Innenring 20 um eine volle Umdrehung gegenüber dem Abtriebselement 14 verdreht, so ergibt sich daraus eine relativ geringe Verdrehung zwischen dem Antriebselement 6 und dem Abtriebselement 14. Durch die abtriebsseitige Anbindung der Kragenhülse 2 arbeitet das Wellgetriebe 1 hierbei als Minusgetriebe.
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Das Abtriebselement 14 und die Axiallagerscheibe 4 sind ferner mit einem Frontdeckel 10 verbunden, welcher der Kragenhülse 2 vorgesetzt ist. Ein parallel zum Kragen 17 angeordneter, den Kragen 17 kontaktierender Abschnitt des Frontdeckels 10 ist als Scheibenabschnitt 22 bezeichnet. Im Scheibenabschnitt 22 befinden sich fünf Befestigungsöffnungen 23 zum Durchstecken der Schrauben 24, welche in die Gewindebohrungen 25 des Abtriebselements 14 eingeschraubt sind. Am inneren Rand des Scheibenabschnitts 22 geht dieser in einen Lagerkragen 11, das heißt zylindrischen Abschnitt des Frontdeckels 10, über. Der Lagerkragen 11 schließt auf seiner den Scheibenabschnitt 22 abgewandten Stirnseite in Form eines Innenbords 21 ab. Durch den Innenbord 21 ist ein Axialanschlag gegenüber dem Außenring 37 und damit dem gesamten Wellgenerator 12 bereitgestellt.
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Der ringförmige Randbereich 31 des Abtriebselements 14 ist an seiner Innenumfangsfläche als Gleitlagerfläche 40 ausgebildet, durch welche das Antriebselement 6 in Radialrichtung gelagert ist. Eine in Axialrichtung wirksame Gleitlagerfläche der Axiallagerscheibe 4 ist mit 38 bezeichnet. Mit 39 ist eine ebenfalls in Axialrichtung wirksame Gleitlagerfläche des Antriebselements 6 bezeichnet, welche den Boden 32 des Abtriebs-elementes 14 kontaktiert. Insgesamt ist damit eine spielarme oder praktisch spielfreie Gleitlagerung des Antriebselements 6 in dem Gehäuse, welches das Abtriebselement 14 und die Axiallagerscheibe 4 umfasst, gegeben.
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Eine Begrenzung des Schwenkbereichs zwischen dem Antriebselement 6 und dem Abtriebselement 14, das heißt eine Begrenzung des Verstellbereichs des Nockenwellenverstellers, ist unmittelbar durch Konturen des Antriebselements 6 sowie des Abtriebselements 14 gegeben. Hierbei sind Anschlagflächen als Verdrehsicherungskonturen 27, 28 an jeden Fortsatz 26 und Anschlagflächen als Verdrehsicherungskonturen 29, 30 an den seitlichen Enden der Öffnungen 7 vorhanden. Der maximale Schwenkwinkel zwischen dem Abtriebselement 14 und dem Antriebselement 6 ist durch die Anzahl der Fortsätze 26 sowie zugeordneten Öffnungen 7 begrenzt. Durch eine Herabsetzung der Anzahl der Fortsätze 26 und Öffnungen 7, verbunden mit einer entsprechenden Herabsetzung der Anzahl der Schrauben 24, ist eine Erweiterung des möglichen Schwenkwinkels zwischen dem Abtriebselement 14 und dem Antriebselement 6 erreichbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Kragenhülse
- 3
- verzahnter Abschnitt
- 4
- Axiallagerscheibe
- 5
- Bohrung in der Axiallagerscheibe
- 6
- Antriebselement
- 7
- Öffnung im Antriebselement
- 8
- Innenverzahnung
- 9
- zylindrischer Abschnitt des Antriebselements
- 10
- Frontdeckel
- 11
- Lagerkragen
- 12
- Wellgenerator
- 13
- Wälzlager
- 14
- Abtriebselement
- 15
- Außenverzahnung
- 16
- zylindrischer Abschnitt, außenverzahnt
- 17
- Kragen
- 18
- Befestigungsöffnung
- 19
- langgestreckte Ausnehmungen im Kragen
- 20
- Innenring
- 21
- Innenbord
- 22
- Scheibenabschnitt des Frontdeckels
- 23
- Bohrung im Frontdeckel
- 24
- Schraube
- 25
- Gewindebohrung
- 26
- Fortsatz
- 27
- Anschlagfläche des Fortsatzes
- 28
- Anschlagfläche des Fortsatzes
- 29
- Verdrehsicherungskontur des Antriebselements
- 30
- Verdrehsicherungskontur des Antriebselements
- 31
- ringförmiger Randbereich
- 32
- Boden
- 33
- Zapfen
- 34
- Öffnung
- 35
- Bolzen
- 36
- Kugel
- 37
- Außenring
- 38
- Gleitlagerfläche
- 39
- Gleitlagerfläche
- 40
- Gleitlagerfläche
