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Die Erfindung betrifft ein zur Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller geeignetes Wellgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges Wellgetriebe ist beispielsweise aus der
EP 2 463 485 B1 bekannt. Das Wellgetriebe umfasst zwischen einem Antriebselement und einem Abtriebselement wirksame Anschläge, wobei Drehmomentbegrenzer an den Anschlägen angeordnet sind. Beispielsweise ist als Anschlagselement eine federbelastete Kugel vorgesehen.
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Ein weiterer elektromechanischer Nockenwellenversteller mit einem gedämpften Anschlag zwischen einem Antriebs- und einem Abtriebselement ist in der
EP 2 676 013 B1 offenbart. Auch dieses Wellgetriebe umfasst ein Antriebsteil und ein Abtriebsteil, welches mit einer Abtriebswelle, das heißt Nockenwelle, zu verbinden ist. Weiter ist ein mit einer Verstellwelle verbindbares Stellglied vorhanden. Zwischen zwei der drei Wellen ist ein mechanischer Anschlag zur Begrenzung des Verstellwinkels zwischen der mit dem Antriebsteil zu verbindenden Antriebswelle und der Abtriebswelle vorhanden, wobei dieser Anschlag ein elastisches Koppelglied zur Dämpfung eines Aufpralls im Anschlagfall aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickeltes, besonders robustes Wellgetriebe mit Anschlagdämpfung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Wellgetriebe umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein Antriebselement, ein Abtriebselement, sowie ein nachgiebiges Getriebeelement, welches in Relation zu einem der Elemente Antriebselement und Abtriebselement drehfest angeordnet ist, wobei der Verdrehwinkel zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement begrenzt ist und Mittel zur Anschlagdämpfung vorhanden sind. Erfindungsgemäß sind die Mittel zur Anschlagdämpfung von der Verdrehwinkelbegrenzung räumlich getrennt.
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Durch die räumliche Trennung der Mittel zur Anschlagdämpfung von der Verdrehwinkelbegrenzung sind die der Verdrehwinkelbegrenzung dienenden Konturen in keiner Weise, etwa durch Bohrungen, in die dämpfende Elemente aufgenommen sind, geschwächt. Bei den Mitteln zur Anschlagdämpfung handelt es sich vorzugsweise um elastische Elemente, welche hauptsächlich federnde Eigenschaften und nur in untergeordnetem Umfang dämpfende Eigenschaften aufweisen. Hierbei können die Mittel zur Anschlagdämpfung, das heißt Mittel, welche die Wucht eines Aufpralls beim Erreichen einer Endposition des Verstellbereichs mindern, auch als reine Federelemente ausgebildet sein. Die Verwendung eines Federelementes oder mehrerer Federelemente zur Anschlagdämpfung hat den Vorteil, dass der größte Teil der Energie, welche bis zum Erreichen des Anschlags durch das Federelement beziehungsweise die Federelemente aufgenommen wird, beim späteren Verstellen des Wellgetriebes in die entgegengesetzte Richtung wieder abgegeben wird. Eine Integration von als Federelementen ausgebildeten Mitteln zur Anschlagdämpfung in das Wellgetriebe ist im Vergleich zu herkömmlichen Wellgetrieben ohne Anschlagdämpfung oder mit Dämpfungselementen, welche in Anschlagflächen eingesetzt sind, ohne relevanten zusätzlichen Bauraumbedarf möglich.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist als Mittel zur Anschlagdämpfung mindestens eine Spiralfeder vorgesehen. Eine solche Spiralfeder ist beispielsweise auf der Abtriebsseite des Wellgetriebes angeordnet. Hierbei kann ein erstes, inneres Ende der Spiralfeder direkt in das Abtriebselement eingehängt sein, während das zweite, äußere Ende der Spiralfeder direkt oder indirekt mit dem Antriebselement zusammenwirkt. Bei dieser Zusammenwirkung handelt es sich nicht notwendigerweise um eine drehfeste Anbindung des äußeren Federendes an das Antriebselement. Vielmehr wirkt das äußere Ende der Spiralfeder vorzugsweise mit Spiel in Umfangsrichtung direkt oder indirekt mit dem Antriebselement zusammen. Dieses Spiel kann genutzt werden, um in einem Teilbereich des gesamten Verstellbereichs des Wellgetriebes eine Verstellung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement ohne Wirkung der Feder zu ermöglichen. Erst nach dem Ausschöpfen des Spiels in Umfangrichtung wird durch die Spiralfeder ein ansteigendes Drehmoments zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement aufgebaut, bis der Anschlag zwischen den genannten Elementen erreicht ist.
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Statt einer Feder auf der Abtriebsseite des Wellgetriebes oder zusätzlich zu einer solchen Feder kann eine frontseitige Feder vorgesehen sein, wobei auch diese Feder vorzugsweise als Spiralfeder ausgeführt ist. Die frontseitige Feder ist durch eine Öffnung im Antriebselement hindurchgeführt und mit ihrem inneren Ende vorzugsweise direkt in das Abtriebselement eingehängt. Das äußere Ende der frontseitigen Spiralfeder kann beispielsweise unmittelbar mit einer Kontur des Antriebselementes oder mit einer in das Antriebselement eingesetzten Schraube oder mit Konturen eines auf das Antriebselement aufgesetzten Frontdeckels zusammenwirken.
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Unabhängig davon, auf welcher Seite des Wellgetriebes ein Federelement zur Aufnahme von Energie im Fall eines Anschlags zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement angeordnet ist, ist die Verdrehwinkelbegrenzung beispielsweise durch ein antriebsseitiges Gleitlagerelement in Zusammenwirkung mit einem in dem Gleitlagerelement gelagerten Abtriebselement gebildet. Das antriebsseitige Gleitlagerelement ist hierbei entweder durch das Antriebselement selbst oder durch ein mit dem Antriebselement fest verbundenes Element gebildet.
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Beim nachgiebigen Getriebeelement des Wellgetriebes handelt es sich vorzugsweise um einen Flexring, welcher eine Außenverzahnung aufweist, die sowohl mit einer Innenverzahnung des Antriebselementes als auch mit einer Innenverzahnung des Abtriebselementes partiell kämmt.
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Das Antriebselement kann einstückig mit einem Getriebeelement eines Umschlingungsgetriebes, das heißt einem Kettenrad oder Riemenrad, ausgebildet sein. Das Wellgetriebe ist nicht nur zur Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller, sondern auch für industrielle Anwendungen, beispielsweise in Werkzeugmaschinen oder Robotern, geeignet.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 in einer Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wellgetriebes,
- 2 ein Detail der Anordnung nach 1,
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Wellgetriebes in einer Darstellung analog 1,
- 4 ein Detail der Anordnung nach 3,
- 5 in schematischer Darstellung eine Verdrehwinkelbegrenzung eines Wellgetriebes.
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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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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wellgetriebe kommt als Stellgetriebe eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers eines Verbrennungsmotors zum Einsatz. Ein als Ganzes drehbares Gehäuse 2 des Wellgetriebes 1 weist ein Kettenrad 3 als integralen Bestandteil auf und ist damit als Antriebselement 4 ausgebildet. Ein Abtriebselement 5 des Wellgetriebes 1 ist als Hohlrad ausgebildet und mit Hilfe einer Zentralschraube 23 mit einer Nockenwelle 24 des Verbrennungsmotors zu verbinden.
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Das Wellgetriebe 1 umfasst weiter einen Wellgenerator 6, welcher ein Kugellager als Wälzlager 7 aufweist. Ein Innenring 8 des Wälzlagers 7 weist in an sich bekannter Weise eine nicht kreisrunde, elliptische Außenumfangsfläche auf, auf welcher Kugeln 10 als Wälzkörper abrollen. Die Kugeln 10 kontaktieren einen Außenring 12, welcher im Gegensatz zum Innenring 8 nachgiebig ist und sich permanent der nicht kreisrunden Form des Innenrings 8 anpasst.
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Der Außenring 12 ist von einem Flexring 9 umgeben, welcher allgemein als flexibles Getriebeelement bezeichnet wird und mit einer Außenverzahnung 13 versehen ist. Die Außenverzahnung 13 wird durch den Wellgenerator 6 partiell in eine Innenverzahnung 14 des Antriebselements 4 gezwungen. Die Innenverzahnung 14 befindet sich an der Innenumfangsfläche eines ersten zylindrischen Abschnitts 11 des Antriebselementes 4. Weiter ist ein zweiter zylindrischer Abschnitt 15 des Antriebselementes 4 vorhanden, welcher einen im Vergleich zum ersten zylindrischen Abschnitt 11 vergrößerten Durchmesser aufweist. Im Übergangsbereich zwischen den zylindrischen Abschnitten 11, 15 ist auf der Innenseite des Antriebselementes 4 eine Axiallagerfläche 25 gegenüber dem Abtriebselement 5 gebildet.
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An den ersten zylindrischen Abschnitt 11 schließt sich nach innen ein innerer Scheibenabschnitt 16 des Antriebselementes 4 an der mit SF bezeichneten Frontseite des Wellgetriebes 1 an. Der innere Scheibenabschnitt 16 sichert den Wellgenerator 6 innerhalb des Wellgetriebes 1 in Axialrichtung. In der entgegengesetzten Axialrichtung ist der Wellgenerator 6 durch den mit 20 bezeichneten Boden des Abtriebshohlrades 5 gesichert.
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An den äußeren zylindrischen Abschnitt 15 schließt ein äußerer Scheibenabschnitt 17 an, welcher parallel zum inneren Scheibenabschnitt 16 angeordnet und Teil des Kettenrades 3 ist. Die beiden Scheibenabschnitte 16, 17 sind jeweils in einer zur Mittelachse M des Wellgetriebes 1 normalen Ebene angeordnet. Am äußeren Scheibenabschnitt 16 ist mit Hilfe von Schrauben 28 ein Deckel 27 auf der abtriebsseitigen Stirnseite SAB befestigt. Der Deckel 27 ist dem Gehäuse 2 zuzurechnen. In seinem radial inneren Bereich ist durch den Deckel 27 eine Axiallagerfläche 26 zur Lagerung des Abtriebshohlrades 5 gebildet. Dem Deckel 27 ist eine im Vergleich zu diesem dünnere Deckelscheibe 39 vorgesetzt, welche sich im Vergleich zum Deckel 27 radial weiter nach innen erstreckt, so dass in diesem Bereich ein Hohlraum zwischen dem Boden 20 und der Deckelscheibe 39 gebildet ist.
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An den äußeren Rand des Bodens 20 schließt ein zylindrischer Abschnitt 19 des Abtriebshohlrades 5 an. In diesem zylindrischen Abschnitt ist eine Innenverzahnung 18 gebildet, welche ebenso wie die Innenverzahnung 14 des Antriebselementes 4 partiell mit der Außenverzahnung 13 des Flexrings 9 kämmt. Durch unterschiedliche Zähnezahlen der verschiedenen Verzahnungen 13, 14, 18 ist in an sich bekannter Weise das Übersetzungsverhältnis des Wellgetriebes 1 bestimmt.
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Solange der typischerweise elektrisch angetriebene Innenring 8 mit der Drehzahl des Antriebselementes 4 rotiert, dreht sich auch das Abtriebselement 5 mit dieser Drehzahl. Das Abtriebselement 5 weist eine zentrale Öffnung 22 auf, die durch einen Zapfen 21 begrenzt ist. Die Zentralschraube 23 ist durch die Öffnung 22 durchgesteckt und in die Nockenwelle 24 eingeschraubt. Weicht die Drehzahl des Innenrings 8 von der Drehzahl des über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetriebenen Kettenrads 3 ab, so resultiert hieraus eine Winkelverstellung zwischen dem Antriebselement 4 einerseits und der Baugruppe aus Abtriebselement 5 und Nockenwelle 24 andererseits.
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Zur Begrenzung der möglichen Verstellung zwischen dem Antriebselement 4 und dem Abtriebselement 5 ist eine Verdrehwinkelbegrenzung 30 vorgesehen. Auf der Antriebsseite des Wellgetriebes 1 sind Konturen der Verdrehwinkelbegrenzung 30 durch ein Ringelement 31 gebildet, welches fest mit dem Antriebselement 4 verbunden, nämlich in die Innenumfangsfläche des zweiten zylindrischen Abschnitts 15 eingefügt ist. Durch das Ringelement 31 ist eine Radiallagerfläche 32 bereitgestellt, in welcher der zylindrische Abschnitt 19 des Abtriebshohlrades 5 gelagert ist. Ebenso ist eine Radiallagerung des Abtriebshohlrades 5 an der Innenumfangsfläche des Ringelementes 31 möglich.
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Details der Verdrehwinkelbegrenzung 30 gehen aus 4 hervor. Aus dem zylindrischen Abschnitt 19 des Abtriebshohlrades 5 herausragende Zapfen 35, das heißt Vorsprünge, weisen Anschlagflächen 34 auf und sind zwischen Anschlagflächen 33 des Ringelementes 31 um einen Winkel α2 verschwenkbar, womit der Verstellbereich des Wellgetriebes 1 vorgegeben ist.
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Eine alternative Gestaltung einer Verdrehwinkelbegrenzung 30 ist in 5 skizziert. Diese Verdrehwinkelbegrenzung 30 ist sowohl für das Ausführungsbeispiel nach 1 als auch für das Ausführungsbeispiel nach 3 geeignet. Der Vorsprung 35 am Abtriebselement 5 ist in diesem Fall als Zapfen mit kreisrundem Querschnitt geformt. Generell kann die Verdrehwinkelbegrenzung 30 durch Vor- und Rücksprünge, welche sich in Radialrichtung des Antriebselementes 4 und des Abtriebselementes 5 erstrecken, ebenso gebildet sein wie durch Vor- und Rücksprünge, welche sich in Axialrichtung der genannten Elemente 4, 5 erstrecken. In allen Fällen sind die Anschlagflächen 33, 34 der Verdrehwinkelbegrenzung 30 nicht durch Feder- oder Dämpfungselemente geschwächt.
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In jedem Ausführungsbeispiel ist mindestens eine Spiralfeder 36, 38 vorhanden, welche als Ergänzung zur Verdrehwinkelbegrenzung 30 ein Mittel zur Anschlagdämpfung darstellt, jedoch von der Verdrehwinkelbegrenzung 30 örtlich getrennt ist. Die Spiralfeder 36, 38, allgemein als Federelement bezeichnet, wird vor dem Aufeinandertreffen der Anschlagflächen 33, 34, das heißt vor dem Erreichen des Endanschlags des Wellgetriebes 1, zunehmend gespannt, was eine Energieaufnahme sowie eine Reduzierung der beim Aufprall aufzunehmenden Energie bedeutet. Wird das Wellgetriebe 1, ausgehend vom Endanschlag, zu einem späteren Zeitpunkt in die entgegengesetzte Richtung verstellt, so wird dieser Verstellvorgang durch Energieabgabe des Federelements 36, 38 unterstützt.
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In der Anordnung nach 1 sind zwei Spiralfedern 36, 38 eingezeichnet. In verschiedenen möglichen Varianten umfasst das Wellgetriebe 1 entweder eine der Spiralfedern 36, 38 oder beide Spiralfedern 36, 38. Sofern lediglich eine Spiralfeder 36, 38 vorhanden ist, kann diese derart gestaltet und in das Wellgetriebe 1 eingefügt sein, dass die Anschlagdämpfung in beiden Drehrichtungen wirksam ist. Im Fall zweier Spiralfedern 36, 38 ist es beispielsweise möglich, jeder Verstellrichtung ein gesondertes Federelement 36, 38 zur Anschlagdämpfung zuzuordnen. Ebenso ist es auch in diesem Fall möglich, beide Federn 36, 38 zur Anschlagdämpfung in jeder Richtung der Verschwenkung des Abtriebselementes 5 gegenüber dem Antriebselement 4 auszulegen, so dass insofern eine Redundanz gegeben ist.
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In der Ausgestaltung nach 1 ist eine frontseitige Spiralfeder 36 durch einen topfförmigen, entsprechend der Querschnittsform des Antriebselementes 4 mehrfach gestuften Frontdeckel 29 auf der Frontseite SF des Gehäuses 2 abgedeckt. Die frontseitige Spiralfeder 36 liegt in einer zur Mittelachse M des Wellgetriebes 1 normalen Ebene, welche das Ringelement 31, den zylindrischen Abschnitt 19 des Abtriebselementes 5, sowie den Flexring 9 und den Wellgenerator 6 schneidet. Radial nach innen ist die Spiralfeder 36 durch eine Öffnung 37 im Antriebselement 4 und durch eine weitere Öffnung im Ringelement hindurchgeführt und greift in eine als Sacklochbohrung ausgeführte Öffnung im Abtriebselement 5 ein. Das äußere Ende der Spiralfeder 36 ist drehfest relativ zum Kettenrad 3 und zum Frontdeckel 29, optional mit Spiel in Umfangsrichtung, angeordnet.
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In dem zwischen dem Boden 20 und der Deckelscheibe 39 gebildeten ringscheibenförmigen Hohlraum ist sowohl im Ausführungsbeispiel nach 1 als auch im Ausführungsbeispiel nach 3 eine abtriebsseitige Spiralfeder 38 angeordnet. In diesem Fall greift das mit 40 bezeichnete innere Ende der Spiralfeder 38 in eine Aufnahmebohrung 41 im Boden 20 des Abtriebselementes 5 ein. Das mit 42 bezeichnete äußere Ende der Spiralfeder 38 greift dagegen mit Spiel in eine Aussparung 43 im Deckel 27 ein. Die Breite der Aussparung 43 gibt nicht den möglichen Stellbereich des Wellgetriebes 1 an.
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Vielmehr sorgt die Aussparung 43 in Zusammenwirkung mit der in 1 nicht sichtbaren Verdrehwinkelbegrenzung 30 dafür, dass eine Verschwenkung des Abtriebselementes 5 gegenüber dem Antriebselement 4 um einen freien Winkel α1 möglich ist, ohne diesen Vorgang des Verschwenkens, das heißt den Verstellvorgang des Nockenwellenverstellers, durch das Federelement 38 in irgendeiner Weise zu beeinflussen. Erst bei Überschreiten des freien Verschwenkbereichs, vor dem Erreichen des durch die Verdrehwinkelbegrenzung 30 in Form der Anschlagflächen 33, 34 gebildeten Anschlags, erfolgt ein Spannen des Federelementes 38, was mit einer Anschlagdämpfung gleichbedeutend ist. Sofern ein Federelement 36, wie in 1 skizziert, auch auf der Frontseite SF des Wellgetriebes 1 vorhanden ist, kann auch bei diesem Federelement 36 ein freier Schwenkbereich, welcher in jedem Fall geringer als der gesamte Verstellbereich des Abtriebselementes 5 gegenüber dem Antriebselement 4 ist, vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Kettenrad
- 4
- Antriebselement
- 5
- Abtriebselement, Abtriebshohlrad
- 6
- Wellgenerator
- 7
- Wälzlager
- 8
- Innenring
- 9
- flexibles Getriebeelement, Flexring
- 10
- Kugel
- 11
- erster zylindrischer Abschnitt
- 12
- Außenring
- 13
- Außenverzahnung
- 14
- Innenverzahnung des Antriebshohlrades
- 15
- zweiter zylindrischer Abschnitt
- 16
- innerer Scheibenabschnitt
- 17
- äußerer Scheibenabschnitt
- 18
- Innenverzahnung des Abtriebshohlrades
- 19
- zylindrischer Abschnitt des Abtriebshohlrades
- 20
- Boden
- 21
- Zapfen
- 22
- Öffnung
- 23
- Zentralschraube
- 24
- Nockenwelle
- 25
- Axiallagerfläche
- 26
- Axiallagerfläche
- 27
- Deckel
- 28
- Schraube
- 29
- Frontdeckel
- 30
- Verdrehwinkelbegrenzung
- 31
- Ringelement
- 32
- Radiallagerfläche
- 33
- Anschlagfläche
- 34
- Anschlagfläche
- 35
- Vorsprung
- 36
- frontseitige Spiralfeder
- 37
- Öffnung im Antriebselement
- 38
- abtriebsseitige Spiralfeder
- 39
- Deckelscheibe
- 40
- inneres Ende der Spiralfeder
- 41
- Aufnahmebohrung
- 42
- äußeres Ende der Spiralfeder
- 43
- Aussparung im Deckel
- α1, α2
- Winkel
- M
- Mittelachse
- SAB
- abtriebsseitige Stirnseite
- SF
- Frontseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2463485 B1 [0002]
- EP 2676013 B1 [0003]
