DE102019119727A1

DE102019119727A1 - Wellgetriebe

Info

Publication number: DE102019119727A1
Application number: DE102019119727.9A
Authority: DE
Inventors: Resat Aras; Rainer Ottersbach
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2021-01-28

Abstract

Ein Wellgetriebe umfasst ein elastisch verformbares Getriebeelement (2), wobei zu dessen Verformung ein Wellgenerator (9) vorgesehen ist, welcher ein Wälzlager (10) mit in einem Käfig (14) geführten Wälzkörpern (12) aufweist. Der Käfig (14) ist durch eine Feder (20) in Umfangsrichtung vorgespannt.

Description

Die Erfindung betrifft ein für die Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller geeignetes Wellgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Wellgetriebe ist beispielsweise aus der DE 10 2016 122 826 A1 bekannt. Das bekannte Wellgetriebe umfasst ein als Kragenhülse ausgebildetes elastisch verformbares Getriebeelement. Zur Verformung der Kragenhülse beim Betrieb des Wellgetriebes ist ein Wellgenerator vorgesehen, welchem ein Kugellager zuzurechnen ist. Die Wälzkörper des Kugellagers sind in einem Käfig geführt.
Ein weiteres Wellgetriebe mit einer Kragenhülse ist in der DE 10 2017 110 678 B3 beschrieben. In diesem Fall ist ein Käfig eines Kugellagers eines Wellgenerators als Sicherungselement ausgebildet, welches in Axialrichtung zwischen relativ zueinander rotierbaren Teilen wirksam ist.
Bei einem in der DE 10 2018 102 774 B3 beschriebenen Wellgetriebe, welches ebenfalls eine Kragenhülse umfasst, wird eine axiale Lagerungsfunktion mit Hilfe eines Federrings, welcher in Ringnuten zweier Teile eingreift, bereitgestellt.
Alternativ zu einer Kragenhülse kann ein Wellgetriebe ein verformbares Getriebeelement aufweisen, welches eine Topfform beschreibt. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die Dokumente DE 10 2015 224 897 A1 , DE 10 2016 204 784 A1 , DE 10 2016 210 703 A1 und DE 10 2017 121 320 B3 hingewiesen.
Ein in der US 8,584,633 B2 beschriebener elektromechanischer Nockenwellenversteller weist ein als Spiralfeder ausgebildetes Federelement auf, welches eine Vorspannung zwischen einem Antriebselement und einem Abtriebselement des Getriebes erzeugt, wobei es sich bei dem Antriebselement um ein gehäusefestes Bauteil des Getriebes handelt. Die beiden Enden der Spiralfeder sind einerseits am Abtriebselement und andererseits an einem gehäusefesten Bolzen eingehängt. Dieser Bolzen hält zusammen mit weiteren Bolzen zwei Platten auf Abstand, zwischen denen die Spiralfeder angeordnet ist.
In der DE 10 2016 216 594 B3 wird eine Verdrehsicherung eines Nockenwellenverstellers vorgeschlagen, welche die Einhaltung einer definierten Montageposition ermöglicht. Der Verdrehsicherung ist eine Feder zuzurechnen, die dazu ausgebildet ist, ein Abtriebselement des Wellgetriebes in eine Anschlagsposition zu bringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickeltes Wellgetriebe anzugeben, welches bei kompaktem montagefreundlichen Aufbau in der Lage ist, selbsttätig eine Anschlagposition anzufahren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Wellgetriebe weist in an sich bekannter Grundkonzeption ein elastisch verformbares Getriebeelement, wobei zu dessen Verformung ein Wellgenerator vorgesehen ist, welcher ein Wälzlager mit in einem Käfig geführten Wälzkörpern umfasst. Erfindungsgemäß ist der Käfig des Wälzlagers durch eine Feder in Umfangsrichtung vorgespannt.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine Feder, welche ein Abtriebselement gegen ein Antriebselement eines Wellgetriebes vorspannt, prinzipiell durch eine wesentlich schwächere Feder ersetzbar ist, welche auf ein Verstellelement, insbesondere in Form eines Wälzlagerinnenrings, eines Wellgenerators des Wellgetriebes wirkt. Wellgetriebe sind typischerweise derart ausgelegt, dass eine Mehrzahl an Umdrehungen eines beispielsweise elektrisch angetriebenen Verstellelements in weniger als einzige Umdrehung des Abtriebselements gegenüber dem Antriebselement des Wellgetriebes umgesetzt wird. Der Angriff einer Feder am Verstellelement hat somit den Vorteil, dass bereits ein geringes auf das Verstellelement wirkendes Drehmoment zur Verstellung des Abtriebselementes mittels Federkraft ausreichend ist. Andererseits muss die Feder, welche diese Verstellung bewirkt, ihre Federkraft über eine Mehrzahl an Umdrehungen des Verstellelements aufrechterhalten.
Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, dass der Käfig eines Wälzlagers bei üblichen Lagerkonstruktionen etwa mit der halben Drehzahl des rotierenden Lagerrings rotiert. Solange sich die Wälzkörper schlupffrei oder annähernd schlupffrei im Wälzlager bewegen, kann der Wälzlagerkäfig als Antriebs- oder Abtriebselement genutzt werden. Im vorliegenden Fall wird der Käfig des Wälzlagers als antreibendes Element genutzt, indem er durch die Feder mit einem Drehmoment beaufschlagt wird. Um das Wellgetriebe in eine Anschlagposition zu verfahren, sind im Vergleich zu Bauformen, bei welchen eine Feder am als Verstellelement fungierenden Wälzlagerring angreift, lediglich etwa halb so viele Umdrehungen durch die Feder zu bewältigen. Gleichzeitig ist im Vergleich zu bekannten Wellgetrieben, bei welchen ein Federelement zwischen das Antriebselement und das Abtriebselement gespannt ist, ein um ein Mehrfaches niedrigeres Drehmoment zur Erfüllung der geforderten Rückstellfunktion ausreichend.
Die Feder, insbesondere Spiralfeder, des Wellgetriebes ist gemäß einer möglichen Ausgestaltung in einer Federaufnahme angeordnet, welche durch den Käfig gebildet ist. Hierbei kann der Käfig einschließlich der Federaufnahme als einstückiges Bauteil, insbesondere Schnappkäfig, ausgebildet sein. Als Material zu Herstellung des Käfigs ist insbesondere Kunststoff, optional in faserverstärkter Ausführung, geeignet.
Verschiedene Anwendungen von Spiralfedern in Kraftfahrzeugen sind prinzipiell aus den Dokumenten DE 10 2014 206 864 A1 und DE 10 2013 218 105 A1 bekannt.
Prinzipiell kann die Feder, die mit einem Federende am Käfig des Wälzlagers des Wellgenerators eingehängt ist, mit ihrem anderen Federende entweder am Antriebselement oder am Abtriebselement des Wellgetriebes angreifen. Vorzugsweise spannt die Feder den Käfig gegen die Abtriebsseite des Wellgetriebes vor. In diesem Fall ist das elastisch verformbare Getriebeelement vorzugsweise als topfförmiges Element, das heißt Flextopf, ausgebildet, wobei dessen Boden mit dem Abtriebselement des Wellgetriebes drehfest verbunden ist.
Die Feder ist hierbei vorzugsweise vollständig innerhalb des durch den Flextopf gebildeten Hohlraums angeordnet. Die Feder kann dabei in Form einer inneren Federeinhängung formschlüssig mit dem Boden des Flextopfes verbunden sein. Ebenso kann ein gesondertes Verbindungselement vorgesehen sein, welches ein durch die Feder erzeugtes Drehmoment in ein Abtriebselement des Wellgetriebes einleitet. Ferner ist es möglich, dass eine aus dem Boden des Flextopfes in Richtung des Innenraums des Flextopfes herausragende Befestigungskontur, an welcher das innere Federende gehalten ist, einstückig aus dem Material des Flextopfes geformt ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 ausschnittsweise ein Wellgetriebe in einer Schnittdarstellung.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wellgetriebe, dessen Gehäuse in 1 nicht dargestellt ist, ist Teil eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird.
Das Wellgetriebe 1 umfasst ein als Flextopf ausgebildetes flexibles Getriebeelement 2, welches eine Außenverzahnung 3 aufweist, die partiell in eine Innenverzahnung des Gehäuses eingreift. Die Außenverzahnung 3 befindet sich an der Außenumfangsfläche eines zylindrischen Abschnitts 4 des Flextopfes 2. Der zylindrische Abschnitt 4 geht in einen Boden 5 über, welcher eine zentrale Öffnung 6 aufweist. Durch die Öffnung 6 ist im eingebauten Zustand des Wellgetriebes 1 ein Zentralschraube 7 gesteckt, welche auch ein Abtriebselement 8 durchdringt und in eine Nockenwelle, das heißt in die zu verstellende Welle, eingeschraubt ist.
Zur Verformung des flexiblen Getriebeelementes 2 beim Betrieb des Wellgetriebes 1 ist ein insgesamt mit 9 bezeichneter Wellgenerator vorgesehen. Der Wellgenerator 9 umfasst ein Kugellager 10, das heißt Wälzlager, dessen mit 11 bezeichneter Innenring eine nicht kreisrunde, elliptische Außenkontur aufweist. Auf dem Innenring 11 rollen Kugeln 12 als Wälzkörper ab, die einen Außenring 13 kontaktieren, der im Gegensatz zum Innenring 11 verformbar ist und sich permanent der unrunden Kontur des Innenrings 11 anpasst. Der Außenring 13 ist unmittelbar von dem mit der Außenverzahnung 3 versehenen Bereich des Flextopfes 2 umgeben, ohne mit diesem fest verbunden zu sein. Auf diese Weise wird die Außenverzahnung 13 lediglich in zwei einander diametral gegenüberliegenden Bereichen in Eingriff mit der zugehörigen Innenverzahnung des Gehäuses gebracht.
Bei einer Rotation des Innenrings 11 gegenüber dem Gehäuse ergibt sich ein Umlauf der Eingriffsbereiche der Außenverzahnung 3, wobei die Geschwindigkeit des Umlaufs durch die Winkelgeschwindigkeit des Innenrings 11 in Relation zum Gehäuse gegeben ist. Die Anzahl der Zähne der Außenverzahnung 3 ist geringfügig kleiner als die Anzahl der Zähne der zugeordneten Innenverzahnung des Gehäuses des Wellgetriebes 1. Hierdurch wird eine volle Umdrehung des Innenrings 11 in Relation zum Gehäuse in eine vergleichsweise geringe Verschwenkung zwischen dem flexiblen Getriebeelement 2 und dem Gehäuse umgesetzt.
Der Innenring 11 ist, optional über eine Ausgleichskupplung, elektrisch angetrieben. Bei einem Ausfall des elektrischen Antriebs soll eine definierte Winkelrelation zwischen dem flexiblen Getriebeelement 2 und dem Gehäuse des Wellgetriebes 1 selbsttägig eingestellt werden. Zu diesem Zweck ist eine als Spiralfeder ausgebildete Feder 20 vorgesehen, welche einerseits an dem mit 14 bezeichneten Käfig des Kugellagers 10 und andererseits am Flextopf angreift.
Die Anordnung aus Innenring 11, Käfig 14 und Außenring 13 hat funktionell Gemeinsamkeiten mit einem Planetengetriebe, wobei der Käfig 14 die Rolle eines Planetenträgers übernimmt. Die Rolle der Planeten wird von den Kugeln 12 übernommen. Bei dem Käfig 14 handelt es sich um einen Kunststoff-Schnappkäfig, welcher gegenüber üblichen Schnappkäfigen dahingehend modifiziert ist, dass er einen Angriff der Feder 20 ermöglicht, wobei er die Feder 20 größtenteils aufnimmt. Zu diesem Zweck ist ein mit 15 bezeichneter Käfigring in Form eines Verlängerungsabschnitts 16 in Axialrichtung verlängert.
An den Verlängerungsabschnitt 16 sind zwei zueinander parallele radial nach innen weisende ringscheibenförmige Abschnitte 17, 18 angeformt, zwischen denen eine Federtasche 19 zur Aufnahme der Feder 20, das heißt eine Federaufnahme, gebildet ist. Eine äußere Federeinhängung 21 befindet sich innerhalb der Federtasche 19 an der Innenumfangsfläche des Verlängerungsabschnitts 16. Das mit 22 bezeichnete innere Federende läuft dagegen in Form eines Haltearmes 23 aus, der mittels einer Formschlussverbindung 24 am Boden 5 des Flextopfes 2 eingehängt ist.
Die Feder 20 ist derart gestaltet, dass sie im gesamten Verstellbereich des Wellgetriebes 1 ein Torsionsmoment zwischen der zu verstellenden, mit dem Abtriebselement 8 verbundenen Nockenwelle und dem Käfig 14 aufrechterhält. Somit kann das Wellgetriebe 1 aus jeder beliebigen Einstellung heraus durch die Feder 20 in eine Anschlagsposition gebracht werden. Die Anschlagsposition ist durch Anschlagkonturen definiert, welche sich einerseits an einem gehäusefesten Element des Wellgetriebes 1 und andererseits am Abtriebselement 8 oder einem drehfest mit diesem verbundenen Element befinden.
Bezugszeichenliste

1: Wellgetriebe
2: flexibles Getriebeelement, Flextopf
3: Außenverzahnung
4: zylindrischer Abschnitt
5: Boden
6: Öffnung
7: Zentralschraube
8: Abtriebselement
9: Wellgenerator
10: Kugellager
11: Innenring
12: Kugel
13: Außenring
14: Käfig
15: Käfigring
16: Verlängerungsabschnitt
17: ringscheibenförmiger Abschnitt
18: ringscheibenförmiger Abschnitt
19: Federtasche
20: Feder
21: äußere Federeinhängung
22: inneres Federende
23: Haltearm
24: Formschlussverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016122826 A1 [0002]
DE 102017110678 B3 [0003]
DE 102018102774 B3 [0004]
DE 102015224897 A1 [0005]
DE 102016204784 A1 [0005]
DE 102016210703 A1 [0005]
DE 102017121320 B3 [0005]
US 8584633 B2 [0006]
DE 102016216594 B3 [0007]
DE 102014206864 A1 [0013]
DE 102013218105 A1 [0013]

Claims

Wellgetriebe, mit einem elastisch verformbaren Getriebeelement (2), wobei zu dessen Verformung ein Wellgenerator (9) vorgesehen ist, welcher ein Wälzlager (10) mit in einem Käfig (14) geführten Wälzkörpern (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (14) durch eine Feder (20) in Umfangsrichtung vorgespannt ist.
Wellgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (20) als Wickelfeder ausgebildet ist.
Wellgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (20) in einer Federaufnahme angeordnet ist, welche durch den Käfig gebildet ist.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (14) als Schnappkäfig ausgebildet ist.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (14) als Kunststoffkäfig ausgebildet ist.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (20) den Käfig (14) gegen die Abtriebsseite des Wellgetriebes vorspannt.
Wellgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch verformbare Getriebeelement (2) als Flextopf ausgebildet ist, wobei dessen Boden (5) mit einer zu verstellenden Welle (2) drehfest verbunden ist.
Wellgetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (20) innerhalb des durch den Flextopf (2) gebildeten Hohlraums angeordnet ist.
Wellgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (20) formschlüssig mit dem Boden (5) des Flextopfes (2) verbunden ist.