DE102019106338A1

DE102019106338A1 - Wellgetriebe

Info

Publication number: DE102019106338A1
Application number: DE102019106338.8A
Authority: DE
Inventors: Daniel Heise
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: WO2020182250A1; DE102019106338B4

Abstract

Ein Wellgetriebe umfasst ein hohlzylindrisches Gehäuseelement (2), ein im Gehäuseelement (2) gelagertes Abtriebselement (4), einen in dem durch das Gehäuseelement (2) gebildeten Hohlraum angeordneten Wellgenerator (5), sowie einen am Gehäuseelement (2) gelagerten Deckel (6), wobei sich der Deckel (6) an derjenigen Stirnseite (S) des Gehäuseelementes (2) befindet, die einer mit dem Abtriebselement (4) zu verbindenden Welle zugewandt ist, wobei der Deckel (6) mittels einer Klemmverbindung (14) mit dem Gehäuseelement (2) verbunden ist, indem er als Sternscheibe ausgebildet ist, die in einer Innenumfangsfläche (11) des Gehäuseelementes (2) klemmend fixiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein für die Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller geeignetes Wellgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs1.
Ein derartiges Wellgetriebe ist beispielsweise aus der DE 10 2016 122 826 A1 bekannt. Das bekannte Wellgetriebe weist ein als Kragenhülse ausgebildetes flexibles Getriebeelement auf, welches an einem Antriebselement des Wellgetriebes befestigt ist. Der Kragenhülse ist ein Deckel vorgesetzt, welcher einen zur Verformung eines hülsenförmigen Abschnitts der Kragenhülse vorgesehenen Wellgenerator in Axialrichtung sichert.
Wellgetriebe arbeiten prinzipbedingt mit einem verformbaren Getriebeelement. Alternativ zu einer Hutform, wie sie bei einer Kragenhülse gegeben ist, kann eine solches flexibles Getriebeelement auch eine Topfform beschreiben. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die DE 10 2017 121 320 B3 hingewiesen.
Ebenso kann als verformbares Getriebeelement eines Wellgetriebes ein Flexring vorgesehen sein. Hierzu wird beispielhaft auf die DE 20 2015 009 214 U1 hingewiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompakt aufgebautes, für die Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller eines Verbrennungsmotors geeignetes Wellgetriebe gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das Wellgetriebe umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein hohlzylindrisches Gehäuseelement, ein im Gehäuseelement gelagerten Abtriebselement, einen in dem durch das Gehäuseelement gebildeten Hohlraum angeordneten Wellgenerator, sowie einen am Gehäuseelement gelagerten Deckel.
Erfindungsgemäß befindet sich der Deckel des Wellgetriebes an derjenigen Stirnseite des Gehäuseelementes, die einer mit dem Abtriebselement zu verbindenden Welle, insbesondere einer Nockenwelle, zugewandt ist, wobei der Deckel mittels einer Klemmverbindung mit dem Gehäuseelement verbunden ist, indem er, der Deckel, als Sternscheibe ausgebildet ist, welche in einer Innenumfangsfläche des Gehäuseelementes klemmend fixiert ist.
Die Klemmverbindung ist unmittelbar zwischen dem Deckel und dem Gehäuseelement gebildet. Zusätzliche Verbindungselemente sind nicht vorgesehen. Bei dem Deckel handelt es sich um ein zur Herstellung der Klemmverbindung verformbares Element, insbesondere in Form eines Blechteils aus Stahlblech.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Sternscheibenform des Deckels durch eine Mehrzahl an Klemmnasen gebildet, welche sich von einem ringscheibenförmigen Abschnitt des Deckels aus radial nach außen erstrecken.
Jede Klemmnase hat vorzugsweise die Form einer Kelle mit elliptischer, insbesondere kreisrunder Grundform, wobei ein im Vergleich zur übrigen Kelle verjüngter Fuß der Kelle in den ringscheibenförmigen Abschnitt des Deckels übergeht.
Im Übergangsbereich zwischen dem Fuß der Kelle und dem ringscheibenförmigen Abschnitt sind vorzugsweise zwei dem Fuß benachbarte Einschnitte des ringscheibenförmigen Abschnitts vorhanden. Die beiden Einschnitte neben dem Fuß sind gleichbedeutend mit einer Verlängerung des Fußes radial nach innen. Der Fuß stellt einen eingeschnürten, an den ringscheibenförmigen Abschnitt des Deckels anschließenden Bereich der Klemmnase dar. Hierdurch ist ein sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung des ringscheibenförmigen Abschnitts flexibles Gelenk gebildet.
Die Breite des Fußes beträgt vorzugsweise mindestens 15% und maximal 40% der Maximalbreite der Klemmnase, das heißt des Durchmessers des kreisrund geformten Bereiches der Klemmnase, sofern eine Kreisform des entsprechenden Bereiches gegeben ist.
Ein um Klemmnasen gelegter, diese tangierender Kreis hat in bevorzugter Ausgestaltung einen größeren Durchmesser als ein in die Konturen des Gehäuseelementes, in welche der Deckel einzusetzen ist, einbeschriebener Kreis. Ein Einsetzen des Deckels in das Gehäuseelement ist somit nur unter Verformung des Deckels möglich. Beim Eindrücken des Deckels in das Gehäuseelement werden Bereiche des Deckels, insbesondere dessen Klemmnasen, zumindest geringfügig verbogen, so dass sich ohne Verwendung irgendwelcher Sicherungselemente, etwa Sicherungsringe, eine Sperrwirkung, bezogen auf Belastungen in Axialrichtung, ergibt.
Die Verformung außenliegender, insbesondere als Klemmnasen ausgebildeter Bereiche des Deckels sorgt zudem dafür, dass trotz gegebener geometrischer Toleranzen einerseits des Deckels und andererseits des Gehäuseelementes auch unter Bedingungen der Serienfertigung stets eine stabile Halterung des Deckels im Gehäuseelement gegeben ist. Die Klemmnasen stellen somit klemmende Elemente dar, welche zugleich in der Lage sind, Radialtoleranzen auszugleichen. Zugleich sind die Klemmnasen dazu ausgelegt, Toleranzen in Umfangsrichtung auszugleichen, welche sich beispielsweise durch Teilungsfehler ergeben. Die Teilungsfehler können sich hierbei auf an der Innenumfangsfläche des Gehäuseelementes verteilte Aufnahmekonturen, in welche die Klemmnasen eingreifen, sowie auf die Anordnung der Klemmnasen am Umfang des Deckels beziehen. Vorzugsweise handelt es sich bei den Aufnahmekonturen um Nuten, welche an der Innenumfangsfläche des Gehäuseelementes in dessen Axialrichtung, das heißt parallel zur Mittelachse des Wellgetriebes, verlaufen.
Vorzugsweise hat jede Nut einen gekrümmten Nutgrund, dessen Krümmungsradius um mindestens 5% und maximal 50% größer als ein Krümmungsradius der Klemmnase in deren in die Nut eingreifenden Bereich ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist durch den Deckel eine in Axialrichtung wirksame Abstützung des Abtriebselementes gebildet. In der entgegengesetzten Axialrichtung wird das Abtriebselement vorzugsweise durch das Gehäuseelement oder ein fest mit dem Gehäuseelement verbundenes Teil abgestützt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist zwischen den Deckel und das Abtriebselement des Wellgetriebes eine Torsionsfeder, insbesondere in Form einer Spiralfeder, gespannt. Die Torsionsfeder erzeugt ein zwischen dem Antriebselement, das heißt Gehäuseelement, und dem Abtriebselement wirkendes Drehmoment, welches in Richtung einer definierten Vorzugsstellung des Wellgetriebes wirkt.
Das Wellgetriebe kommt vorzugsweise als Stellgetriebes eines Nockenwellenverstellers eines Hubkolbenmotors zum Einsatz. Auch Verwendungen des Wellgetriebes in industriellen Anlagen, beispielsweise in Industrierobotern oder Werkzeugmaschinen, sind möglich.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise in grob schematisierter Darstellung:

1 ein Wellgetriebe in einer Schnittdarstellung,
2 ausschnittsweise das Wellgetriebe in stirnseitiger Ansicht,
3 und 4 Details des Wellgetriebes.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wellgetriebe kommt als hochuntersetztes Stellgetriebe eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Wellgetriebes 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Das Wellgetriebe 1 umfasst ein als Ganzes drehbares Gehäuseelement 2, welches als Antriebselement fungiert und im Ausführungsbeispiel einstückig mit einem Kettenrad 3 ausgebildet ist. Das Gehäuseelement 2 wird über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs angetrieben, wobei es in an sich bekannter Weise mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert.
In dem Gehäuseelement 2 ist ein Abtriebselement 4 gelagert, welches als Hohlrad ausgebildet ist und mit der zu verstellenden Nockenwelle, bei welcher es sich um eine Einlass- oder eine Auslassnockenwelle handeln kann, fest zu verbinden ist. Weiter weist das Wellgetriebe 1 ein in den Figuren nicht erkennbares elastisch verformbares Getriebeelement auf, wobei zu dessen Verformung ein Wellgenerator 5 vorgesehen ist. Der Wellgenerator 5 befindet sich in dem durch das Gehäuseelement 2 gebildeten Hohlraum. Das Gehäuseelement 2 mit hohlzylindrischer Grundform kann ein- oder mehrteilig aufgebaut sein. Bei dem durch den Wellgenerator 5 verformten Getriebeelement kann es sich um eine Kragenhülse, um ein topfförmiges Element, oder um einen Flexring, das heißt ein hülsenförmiges Element ohne nach innen oder außen gerichteten Flansch, handeln.
Der Wellgenerator 5 wird durch einen nicht dargestellten Elektromotor betätigt. Diejenige Stirnseite des Wellgetriebes 1, von welcher aus durch den Elektromotor mechanische Leistung in den Wellgenerator 5 eingespeist werden kann, das heißt die linke Seite, bezogen auf die Anordnung nach 1, wird als erste Stirnseite S1 des Wellgetriebes 1 bezeichnet. Die der ersten Stirnseite S1 gegenüber liegende Stirnseite des Wellgetriebes 1, das heißt diejenige Stirnseite, auf welcher sich die zu verstellende Nockenwelle befindet, wird als abtriebsseitige Stirnseite S_ab bezeichnet.
An der abtriebsseitigen Stirnseite S_ab ist ein Deckel 6, auf welchen im Folgenden noch näher eingegangen wird, in das Gehäuseelement 2 klemmend eingesetzt. Bei dem Deckel 6 handelt es sich um ein Bleichteil aus Stahlblech. Der Deckel 6 hat eine sternförmige Grundform und wird dementsprechend auch als Sternscheibe bezeichnet.
Bei dem Deckel 6 handelt es sich um ein einstückiges Bauteil, welches einen ringscheibenförmigen Abschnitt 7 beschreibt, an welchen sich radial nach außen mehrere Klemmnasen 8, im Ausführungsbeispiel vier Klemmnasen 8, anschließen. Jede Klemmnase 8 hat die Form einer Kelle, wobei ein mit 9 bezeichneter Fuß der Klemmnase 8 in einen kreisscheibenförmigen Abschnitt 10 übergeht. Ausschließlich die kreisscheibenförmigen Abschnitte 10 des Deckels 6 kontaktieren die mit 11 bezeichnete Innenumfangsfläche des Gehäuseelementes 2. Hierbei sind in die ansonsten im Querschnitt kreisförmige Innenumfangsfläche 11 mehrere Nuten 12 eingeformt, die in Axialrichtung des Gehäuseelementes 2 verlaufen. Im Ausführungsbeispiel sind vier Nuten 12 gleichmäßig an der Innenumfangsfläche 11 verteilt.
Der zunächst noch nicht verformte, noch nicht in das Gehäuseelement 2 eingesetzte Deckel 6 hat einen Außendurchmesser, welcher signifikant größer als der Abstand zwischen zwei einander diametral gegenüber liegenden Nuten 12 ist. Hierbei ist der genannte Abstand zwischen dem mit 13 bezeichneten Nutgrund einer ersten Nut 12 und dem Nutgrund 13 der gegenüberliegenden Nut 12 an der Innenumfangsfläche 11 zu messen.
Wird der Deckel 6 in das Gehäuseelement 2 einschoben, so werden die Klemmnasen 8 zwangsläufig etwas nach außen gebogen, so dass sie die in 4 skizzierte Position einnehmen. Damit entsteht eine mit 14 bezeichnete Klemmverbindung zwischen dem Deckel 6 und dem Gehäuseelement 2. Die bei dem beschriebenen Klemmvorgang erfolgende Auslenkung einer Klemmnase 8 entspricht einer Schwenkbewegung um eine Schwenkachse, welche tangential an den ringscheibenförmigen Abschnitt 10 gelegt ist. Die Schwenkachse liegt, bezogen auf die Anordnung nach 2, in der Zeichenebene.
Jede Nut 12 beschreibt mit ihrem Nutgrund 13 ein konkaves Profil, wobei der Krümmungsradius des Nutgrundes 13 mit R_n bezeichnet ist. Der Krümmungsradius R_n ist größer als der mit R_k bezeichnete Radius des kreisscheibenförmigen Abschnitts 10. Dies bewirkt, dass zwar der Deckel 6 als Ganzes nicht gegenüber dem Gehäuseelement 2, von minimalen Auslenkungen abgesehen, verdreht werden kann, jedoch eine signifikante Beweglichkeit jeder Klemmnase 8 in der zugehörigen Nut 12 gegeben ist. Diese Beweglichkeit ist in 3 durch in Umfangsrichtung verlaufende Doppelpfeile veranschaulicht. Zusätzlich zur bereits erläuterten Schwenkbarkeit der Klemmnasen 8 aus der Ebene, in welcher der ringscheibenförmige Abschnitt 7 liegt, heraus ist damit eine weitere Schwenkbarkeit innerhalb dieser Ebene gegeben. Die entsprechende Schwenkachse ist parallel zur mit M bezeichneten Mittelachse des Wellgetriebes 1, das heißt senkrecht zur Zeichenebene, bezogen auf die Darstellungen nach den 2 und 3, ausgerichtet.
Insgesamt ist durch den Fuß 9 der Klemmnase 8 damit ein in zwei zueinander orthogonalen Richtungen flexibles Gelenk 15 gebildet. Die Flexibilität des Gelenkes 15 wird dadurch begünstigt, dass beidseitig neben dem Fuß 9 jeweils ein Einschnitt 16 in den ringscheibenförmigen Abschnitt 7 eingeformt ist, was mit einer Verlängerung des Fußes 9 radial nach innen, das heißt zur Mittelachse M hin, gleichbedeutend ist. Die in Umfangsrichtung des ringscheibenförmigen Abschnitts 7 zu messende Breite des Fußes 9 ist mit B_F bezeichnet und beträgt ca. 30 % der mit B_N bezeichneten Maximalbreite der Klemmnase 8.
Das Wellgetriebe 1 umfasst weiter eine als Spiralfeder ausgebildete Torsionsfeder 17, welche unmittelbar zwischen den Deckel 6 und das Abtriebselement 4 gespannt ist. Hierbei ist ein erstes Federende 18 an einer durch den Deckel 6 bereitgestellten Lagerstelle 20 eingehängt, während ein zweites Federende 19 an einer Lagerstelle 21 gehalten ist, welche durch das Abtriebselement 4 bereitgestellt ist. Um die gewünschte Lage der mit 22 bezeichneten Windungen der Torsionsfeder 17 unabhängig von der Winkellage zwischen dem Deckel 6 und damit auch dem Gehäuseelement 2 einerseits und dem Abtriebselement 4 andererseits sicherzustellen, befinden sich weitere Lagerkonturen 23, 24, an welchen die Torsionsfeder 17 anliegt, am Deckel 6 beziehungsweise am Abtriebselement 4.
Der Deckel 6, welcher fest mit dem Gehäuseelement 2 verbunden ist, stellt, wie aus den 1 und 4 hervorgeht, gegenüber dem Abtriebselement 4 eine Axiallagerfläche 25 bereit. In der entgegengesetzten Axialrichtung ist das Abtriebselement 4 durch eine Axiallagerfläche 26 gesichert, welche durch das Gehäuseelement 2 bereitgestellt wird. Durch das Gehäuseelement 2 ist ferner eine Radiallagerfläche 27 gebildet, welche das Abtriebselement 4 in Radialrichtung lagert. Zusätzlich sind durch das Gehäuseelement 2 und durch das Abtriebselement 4 oder durch mit den Elementen 2, 4 fest verbundene Teile Verdrehwinkelbegrenzungskonturen gebildet, welche den Stellbereich des Wellgetriebes 1 begrenzen. Die Torsionsfeder 17 ist derart gestaltet, dass sie über den gesamten Stellbereich des Wellgetriebes 1 ein annähernd konstantes Drehmoment zwischen dem Gehäuseelement 2 und dem Abtriebselement 4 aufrechterhält.
Bezugszeichenliste

1: Wellgetriebe
2: Gehäuseelement
3: Kettenrad
4: Abtriebselement
5: Wellgenerator
6: Deckel
7: ringscheibenförmiger Abschnitt
8: Klemmnase
9: Fuß der Klemmnase
10: kreisscheibenförmiger Abschnitt
11: Innenumfangsfläche
12: Nut
13: Nutgrund
14: Klemmverbindung
15: Gelenk
16: Einschnitt
17: Federelement, Torsionsfeder
18: Federende
19: Federende
20: Lagerstelle
21: Lagerstelle
22: Windung der Torsionsfeder
23: Lagerkontur
24: Lagerkontur
25: Axiallagerfläche
26: Axiallagerfläche
27: Radiallagerfläche
B_F: Breite des Fußes
B_N: Maximalbreite der Klemmnase
M: Mittelachse
R_k: Radius des kreisscheibenförmigen Abschnitts 10
R_n: Krümmungsradius des Nutgrundes 13
S1: erste Stirnseite
S_ab: abtriebsseitige Stirnseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016122826 A1 [0002]
DE 102017121320 B3 [0003]
DE 202015009214 U1 [0004]

Claims

Wellgetriebe, mit einem hohlzylindrischen Gehäuseelement (2), einem im Gehäuseelement (2) gelagerten Abtriebselement (4), einem in dem durch das Gehäuseelement (2) gebildeten Hohlraum angeordneten Wellgenerator (5), sowie einem am Gehäuseelement (2) gelagerten Deckel (6), dadurch gekennzeichnet, dass sich der Deckel (6) an derjenigen Stirnseite (S_ab) des Gehäuseelementes (2) befindet, die einer mit dem Abtriebselement (4) zu verbindenden Welle zugewandt ist, wobei der Deckel (6) mittels einer Klemmverbindung (14) mit dem Gehäuseelement (2) verbunden ist, indem er als Sternscheibe ausgebildet ist, die in einer Innenumfangsfläche (11) des Gehäuseelementes (2) klemmend fixiert ist.
Wellgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sternscheibenform des Deckels (6) durch eine Mehrzahl an Klemmnasen (8) gebildet ist, welche sich von einem ringscheibenförmigen Abschnitt (7) des Deckels (6) aus radial nach außen erstrecken.
Wellgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmnasen (8) jeweils die Form einer Kelle haben, wobei ein im Vergleich zur übrigen Kelle (8) verjüngter Fuß (9) der Kelle (8) in den ringscheibenförmigen Abschnitt (7) übergeht.
Wellgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich zwischen dem Fuß (9) und dem ringscheibenförmigen Abschnitt (7) zwei dem Fuß (9) benachbarte Einschnitte (16) des ringscheibenförmigen Abschnitts (7) gebildet sind.
Wellgetriebe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Fuß (9) der kellenförmigen Klemmnase (8) ein sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung des ringscheibenförmigen Abschnitts (7) flexibles Gelenk (15) gebildet ist, wobei die Breite (B_F) des Fußes (9) mindestens 15% und maximal 40% der Maximalbreite (B_N) der Klemmnase (8) beträgt.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmnasen (8) jeweils in eine in Axialrichtung des hohlzylindrischen Gehäuseelementes (2) verlaufende Nut (12) an der Innenumfangsfläche (11) des Gehäuseelementes (2) eingreifen.
Wellgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (12) einen gekrümmten Nutgrund (13) aufweist, dessen Krümmungsradius (R_k) um mindestens 5% und maximal 50% größer als ein Radius (R_k) der Klemmnase (8) in deren in die Nut (12) eingreifenden Bereich ist.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Klemmnasen (8) mindestens drei und höchstens 30 beträgt.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Deckel (6) eine in Axialrichtung wirksame Abstützung des Abtriebselementes (4) gegeben ist.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine zwischen den Deckel (6) und das Abtriebselement (4) gespannte Torsionsfeder (17).