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Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Wellgetriebes.
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Ein gattungsgemäßes Wellgetriebe ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 037 403 B4 bekannt. Dieses Wellgetriebe ist Teil eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers und in Topfbauart ausgeführt. Das bekannte Wellgetriebe umfasst ein Kugellager, dessen Innenring eine elliptische Kontur aufweist und als Steuerscheibe bezeichnet wird. Durch die Steuerscheibe wird beim Betrieb des Wellgetriebes ein topfförmiges Getriebeelement, welches fest mit einer zu verstellenden Nockenwelle verbunden ist, verformt.
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Ein weiteres Wellgetriebe, das die Merkmale nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist, ist in der
DE 10 2017 126 527 A1 offenbart. In diesem Fall ist zusätzlich zu einem nachgiebigen topfförmigen Getriebeelement ein weiteres flexibles Getriebeelement vorgesehen. Auch dieses Wellgetriebe ist Teil eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers eines Verbrennungsmotors.
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Aus der
DE 10 2016 220 918 A1 ist ein Wellgetriebe bekannt, welches je nach Ausgestaltung entweder als Stellgetriebe eines Nockenwellenverstellers oder als Stellgetriebe einer Vorrichtung zu Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors zum Einsatz kommen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein als Stellgetriebe in einem Verbrennungsmotor verwendbares Wellgetriebe gegenüber dem Stand der Technik unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten sowie unter dem Aspekt der Betriebssicherheit weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Montage eines Wellgetriebes an einer zu verstellenden Welle gemäß Anspruch 9. 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 umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein Gehäuse sowie ein flexibles topfförmiges Getriebeelement, welches mit einem Abtriebselement, das zum Anschluss mittels einer Zentralschraube an eine zu verstellende Welle vorgesehen ist, verbunden ist. Das Gehäuse kann entweder starr in eine Umgebungskonstruktion eingebaut oder als Ganzes drehbar sein. Erfindungsgemäß ist zwischen dem flexiblen Getriebeelement und dem Abtriebselement eine per Federkraft vorgespannte Rutschkupplung gebildet.
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Ein Wellgetriebe mit einer Überlastsicherung ist prinzipiell zum Beispiel aus der
WO 2017/194045 A1 bekannt. In diesem Fall ist eine Überlastsicherung zwischen einem Abtriebsinnenteil und einem Abtriebsaußenteil gebildet.
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Ein weiteres Wellgetriebe mit einer Überlastkupplung ist in der
DE 10 2016 219 915 A1 beschrieben. In diesem Fall ist eine Kupplungskomponente einer Überlastkupplung durch einen Innenring eines Wellgenerators gebildet.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Auslegung eines Wellgetriebes einen Kompromiss zwischen einer torsionsweichen und einer steifen Auslegung darstellt. Einerseits ist für die Übertragung eines hohen Drehmomentes eine hohe Steifigkeit des Getriebes von Vorteil. Dies wird zum Beispiel durch eine Vielzahl von Zähnen des flexiblen Getriebeelementes, welche gleichzeitig im Eingriff mit einer Verzahnung eines in sich starren Elementes sind, begünstigt. Andererseits hat eine weiche Auslegung insbesondere im Fail-safe-Fall, das heißt beim Anfahren einer Anschlagposition, Vorteile. Jedoch soll nach Möglichkeit vermieden werden, dass sich im Fail-safe-Fall, in welchem eine Standard- oder Notlaufposition des Getriebes eingenommen wird, Grundeinstellungen des Getriebes verändern.
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Diesen sich widersprechenden Anforderungen wird nach der Erfindung dadurch Rechnung getragen, dass im Fail-safe-Fall eine Entkopplung des Kraftflusses durch die als Überlastkupplung fungierende Rutschkupplung erfolgt. Die Entkopplung tritt hierbei gezielt im Kraftfluss zwischen dem flexiblen topfförmigen Getriebeelement und dem Abtriebselement auf, wogegen an anderer Stelle, insbesondere im Verbindungsbereich zwischen dem Abtriebselement und der zu verstellenden Welle, keine solche Entkopplung vorgesehen ist. Auch im Überlastfall, in welchem es zu einer Verdrehung zwischen dem flexiblen Getriebeelement und dem Abtriebselement kommt, lockert sich die Zentralschraube nicht. Die Torsionsbelastbarkeit der Verbindung zwischen dem Abtriebselement und der zu verstellenden Welle beträgt vorzugsweise ein Mehrfaches des Grenzdrehmoments, bei welchem die Rutschkupplung auslöst, das heißt das flexible Getriebeelement gegenüber dem Abtriebselement verschwenkt wird.
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Das Wellgetriebe, welches an der zu verstellenden Welle zu montieren ist, umfasst in typischer Ausgestaltung ein im Gehäuse drehbar angeordnetes Abtriebselement, das als Abtriebshohlrad gestaltet ist und einen nicht geschlossenen, ringscheibenförmigen Boden aufweist. Das flexible topfförmige, außenverzahnte Getriebeelement weist ebenfalls einen mit einer zentralen Öffnung versehenen Boden auf, wobei dieser auf dem Boden des Abtriebselementes aufliegt, so dass das flexible Getriebeelement und das Abtriebselement ineinander geschachtelt sind.
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Zur Montage wird weiter eine Zentralschraube verwendet, deren Schraubenkopf gestuft ist, wobei ein innerer Abschnitt des Schraubenkopfes einen kleineren Durchmesser als ein äußerer Abschnitt des Schraubenkopfes hat. Im Vergleich zu herkömmlichen Zentralschrauben, wie sie beispielsweise bei den Vorrichtungen nach den bereits genannten Dokumenten
DE 10 2009 037 403 B4 und
DE 10 2017 126 527 A1 zum Einsatz kommen, ist die Reihenfolge der Stufung des Schraubenkopf somit umgedreht. Ein konischer Abschnitt des Schraubenkopfes ist in bevorzugter Ausgestaltung nicht gegeben. Vielmehr haben beide Abschnitte des Schraubenkopfes vorzugsweise eine zylindrische Form.
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Ferner wird zur Montage eine ringförmige Feder, insbesondere in Form einer Tellerfeder, verwendet, deren Innendurchmesser größer als der innere Abschnitt des Schraubenkopfes, jedoch kleiner als der äußere Abschnitt des Schraubenkopfes ist. Statt einer einzigen Tellerfeder kann mit gleicher Funktion auch ein Tellerfederpaket oder eine sonstige Federanordnung, welche zur Erzeugung einer Druckkraft geeignet ist, verwendet werden. Auch eine Integration der Feder in das elastische topfförmige Getriebeelement oder ein Abstützelement ist möglich.
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Der Anbau des Wellgetriebe an die zu verstellende Welle erfolgt, indem das vorzugsweise als Hohlrad gestaltete Abtriebselement samt flexiblem Getriebeelement an der zu verstellenden Welle mit Hilfe der Zentralschraube sowie der Feder derart festgeschraubt wird, dass der innere Abschnitt des Schraubenkopfes unter Bildung einer dauerhaft festen reibschlüssigen Verbindung an den Boden des Abtriebselementes gepresst und damit dieses an die zu verstellende Welle angedrückt wird und zugleich das topfförmige Getriebeelement durch die sich am äußeren Abschnitt des Schraubenkopfes abstützende Feder, insbesondere Tellerfeder, unter Bildung einer Rutschkupplung gegen den Boden des Abtriebselementes gedrückt wird. Die durch die Feder erzeugte Axialkraft wirkt über den Boden des flexiblen Getriebeelementes auch auf die Verbindung zwischen dem Abtriebselement und der zu verstellende Welle. Optional weist diese Verbindung Formschlusseigenschaften, beispielsweise durch Riffelung der aneinander gepressten Teile, auf.
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In jedem Fall bleibt die Winkelrelation zwischen der zu verstellenden Welle und dem Abtriebselement des Wellgetriebes bei dessen bestimmungsgemäßem Betrieb unverändert. In vorteilhafter Ausgestaltung bildet ein zylindrischer Abschnitt des Abtriebselementes zusammen mit dem Gehäuse eine Verdrehwinkelbegrenzung, das heißt eine Begrenzung des Stellbereichs des als Stellgetriebe einsetzbaren Wellgetriebes. Aufgrund der konstanten Winkelrelation zwischen dem Abtriebselement und der zu verstellenden Welle ist in der Anschlagsposition des Abtriebselementes stets eine definierte Winkellage der zu verstellenden Welle gegenüber dem Gehäuse gegeben.
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Das Wellgetriebe ist insbeondere zur Verwendung als Stellgetriebe eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers geeignet. In diesem Fall stellt das Gehäuse des Wellgetriebes ein als Ganzes drehbares Antriebselement dar.
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In alternativer Ausgestaltung fungiert das Wellgetriebe als Stellgetriebe einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors. In diesem Fall ist das Gehäuse nicht drehbar in eine Umgebungskonstruktion eingebaut oder direkt durch diese gebildet. Zum technischen Hintergrund wird beispielhaft auf die Dokumente
DE 10 2014 112 689 A1 und
DE 10 2010 032 441 A1 hingewiesen.
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Auch eine Verwendung des Wellgetriebes in einer industriellen Umgebung, beispielsweise als Stellgetriebe eines Roboters oder einer Werkzeugmaschine, ist möglich.
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Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass mit Hilfe einer einzigen Zentralschraube und einer vorgespannten Feder ein zweistufiger Klemmverband gebildet wird, wobei eine der beiden Stufen des Klemmverbandes, nämlich die Verbindung zwischen dem elastischen topfförmigen Getriebeelement und dem Abtriebselement, weich ausgelegt ist, wogegen die zweite Stufe des Klemmverbandes, nämlich die Verbindung zwischen dem Abtriebselement und der zu verstellenden Welle, insbesondere Nockenwelle, als steife Verbindung für die Übertragung eines vergleichsweise hohen Drehmomentes geeignet ist.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt:
- 1 ein Wellgetriebe in einer vereinfachten Schnittdarstellung.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wellgetriebe ist Teil eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Nockenwellenverstellers einschließlich des als Stellgetriebe verwendeten Wellgetriebes 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Das Wellgetriebe umfasst ein Gehäuse 2 als Antriebselement, welches in an sich bekannter Weise über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben wird, wobei es mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert. Ein Kettenrad 8 ist im Ausführungsbeispiel integraler Bestandteil des Gehäuses 2. Die Verzahnung des Kettenrades 8 ist mit 7 bezeichnet. Statt des Kettenrades 8 kann alternativ ein Riemenrad verwendet werden. Auch ein Antrieb des Gehäuses 2 über Zahnräder ist prinzipiell möglich.
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Das mit 3 bezeichnete Abtriebselement des Wellgetriebes 1 ist als Hohlrad gestaltet und weist einen nicht geschlossenen Boden 4 sowie einen zylindrischen Abschnitt 5 auf. Durch den zylindrischen Abschnitt 5 ist in Zusammenwirkung mit dem Gehäuse 2 ein Endanschlag 6 gebildet, der den Verstellbereich des Wellgetriebes 1 begrenzt. Das Gehäuse 2 stellt ferner eine Axialanschlagfläche 15 gegenüber dem zylindrischen Abschnitt 5 bereit. Die zu verstellende Welle 9, das heißt Nockenwelle, ist fest mit dem topfförmigen, im Gehäuse 2 drehbar gelagerten Abtriebselement 3 verbunden.
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Das Wellgetriebe 1 umfasst ferner ein nachgiebiges Getriebeelement 10, welches als Flextopf ausgeführt ist. Der Flextopf 10 weist einen Boden 11 und einen hieran anschließenden zylindrischen Abschnitt 12 auf. Der zylindrische Abschnitt 12 ragt in Axialrichtung, bezogen auf die mit R bezeichnete Mittelachse des Wellgetriebes 1, welche mit der Rotationsachse der Nockenwelle 9 identisch ist, über den zylindrischen Abschnitt 5 des Abtriebselementes 3 hinaus und ist mit einer Außenverzahnung 13 versehen, welche in an sich bekannter Weise partiell in eine Innenverzahnung 14 des Gehäuses 2 eingreift.
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Zur Verformung des Flextopfes 10 ist ein Wellgenerator 16 vorgesehen, der ein Wälzlager, nämlich Kugellager 17, umfasst. Der mit 18 bezeichnete Innenring des Kugellagers 17 fungiert als Stellwelle des als Dreiwellengetriebe betriebenen Wellgetriebes 1 und ist elektrisch, optional über eine nicht dargestellte Ausgleichskupplung, angetrieben. Der Innenring 18 weist eine nicht kreisrunde, elliptische Außenkontur auf. Auf dem Innenring 18 abrollende Kugeln 19 kontaktieren einen Außenring 20, der im Unterschied zum Innenring 18 nachgiebig ist und sich permanent der unrunden Kontur des Innenrings 18 anpasst. Der Außenring 20 ist unmittelbar vom zylindrischen Abschnitt 12 des Flextopfes 10 verbunden, ohne mit diesem fest verbunden zu sein. Eine geringfügig unterschiedliche Anzahl an Zähnen der Verzahnungen 13, 14 sorgt in prinzipiell bekannter Weise dafür, dass eine volle Umdrehung des Innenrings 18 in Relation zum Gehäuse 2 in eine vergleichsweise geringe Verschwenkung zwischen dem Abtriebselement 3 und dem Gehäuse 2 umgesetzt wird. Das Wellgetriebe 1 fungiert damit als hoch untersetztes Stellgetriebe.
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Die Befestigung des Wellgetriebes 1 an der Nockenwelle 9 ist mit Hilfe einer Zentralschraube 21 realisiert. Der mit 22 bezeichnete Schraubenkopf der Zentralschraube 21 weist einen inneren Abschnitt 23, das heißt einen näher am Gewinde der Zentralschraube 21 angeordneten Abschnitt, und einen äußeren Abschnitt 24 auf. Ein Absatz zwischen den Abschnitten 23, 24 ist mit 26 bezeichnet. Am Absatz 26 liegt eine Feder 25 in Form einer Tellerfeder an. Die auf den inneren Absatz 23 aufgeschobene Tellerfeder 25 kontaktiert den Boden 11 des flexiblen Getriebeelementes 10, so dass dieser gegen den Boden 4 des Abtriebselementes 3 gepresst wird. Auf diese Weise ist eine federbelastete Rutschkupplung 27 gebildet, welche mit Hilfe einer Reibfuge zwischen dem Flextopf 10 und dem Boden 4 des Abtriebselementes arbeitet.
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Eine weitere, mit 28 bezeichnete Reibfuge ist zwischen dem Abtriebselement 3 und der Nockenwelle 9 gebildet. Im Unterschied zur Rutschkupplung 27 ist die Reibfuge 28 nicht nur durch die Kraft der Tellerfeder 25, sondern darüber hinaus auch direkt durch die Axialkraft der in die Nockenwelle 9 eingeschraubten Zentralschraube 21 belastet. Hierbei liegt der innere Abschnitt 23 des Schraubenkopfes 22 am Boden 4 des Abtriebselementes 3 an. Durch die Reibfuge 28 ist damit eine kraftschlüssige Verbindung gebildet, welche dafür sorgt, dass die Winkelrelation zwischen der zu verstellenden Nockenwelle 9 und dem Abtriebselement 3 während des Betriebs des Wellgetriebes 1 unveränderbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Antriebselement, Gehäuse
- 3
- Abtriebselement
- 4
- Boden des Abtriebselementes
- 5
- zylindrischer Abschnitt des Abtriebselementes
- 6
- Endanschlag, Verdrehwinkelbegrenzung
- 7
- Verzahnung
- 8
- Kettenrad
- 9
- Welle, Nockenwelle
- 10
- nachgiebiges Getriebeelement, Flextopf
- 11
- Boden des Flextopfes
- 12
- zylindrischer Abschnitt des Flextopfes
- 13
- Außenverzahnung
- 14
- Innenverzahnung
- 15
- Axialanschlagfläche
- 16
- Wellgenerator
- 17
- Wälzlager, Kugellager
- 18
- Innenring
- 19
- Wälzkörper, Kugel
- 20
- Außenring
- 21
- Zentralschraube
- 22
- Schraubenkopf
- 23
- innerer Abschnitt des Schraubenkopfes
- 24
- äußerer Abschnitt des Schraubenkopfes
- 25
- Feder, Tellerfeder
- 26
- Absatz zwischen den beiden Abschnitten des Schraubenkopfes
- 27
- Rutschkupplung
- 28
- Reibfuge zwischen dem Abtriebselement und der Nockenwelle
- R
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009037403 B4 [0002, 0014]
- DE 102017126527 A1 [0003, 0014]
- DE 102016210703 A1 [0004]
- DE 102016204784 A1 [0004]
- DE 102015224897 A1 [0004]
- DE 102016220918 A1 [0005]
- WO 2017/194045 A1 [0009]
- DE 102016219915 A1 [0010]
- DE 102014112689 A1 [0019]
- DE 102010032441 A1 [0019]
