DE102019120100A1 - Wave gear and method for assembling a wave gear - Google Patents
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Abstract
Ein Wellgetriebe umfasst ein Gehäuse (2), ein im Gehäuse (2) drehbar gelagertes Abtriebselement (4) und ein flexibles, außenverzahntes Getriebeelement (7), zu dessen Verformung ein Wellgenerator (8) vorgesehen ist, wobei ein zwischen dem Gehäuse (2) und dem Abtriebselement (4) wirksames, als Drehfeder ausgebildetes, in eine Federkassette (20) integriertes Federelement (16) in dem Gehäuse (2) angeordnet ist. Das Federelement (16) ist einerseits an einem Verstellelement (10) des Wellgenerators (8) und andererseits entweder am Gehäuse (2) oder am Abtriebselement (4) angehängt.A harmonic drive comprises a housing (2), an output element (4) rotatably mounted in the housing (2) and a flexible, externally toothed gear element (7), for the deformation of which a wave generator (8) is provided, with a between the housing (2) and a spring element (16) which is effective for the output element (4) and is designed as a torsion spring and integrated in a spring cassette (20) is arranged in the housing (2). The spring element (16) is attached, on the one hand, to an adjusting element (10) of the wave generator (8) and, on the other hand, either to the housing (2) or to the output element (4).
Description
Die Erfindung betrifft ein für die Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller geeignetes Wellgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Wellgetriebes.The invention relates to a harmonic drive suitable for use in an electromechanical camshaft adjuster according to the preamble of
Ein gattungsgemäßes Wellgetriebe ist beispielsweise aus der
Ein in ein Wellgetriebe eingebautes, als Drehfeder wirkendes Federelement kann allgemein dazu dienen, bei einem Ausfall der Energieversorgung das mit einer zu verstellenden Welle verbundene Abtriebselement des Wellgetriebes in eine gewünschte Richtung zu verstellen, bis eine definierte Anschlagsposition erreicht ist.A spring element built into a harmonic drive acting as a torsion spring can generally serve to adjust the output element of the harmonic drive connected to a shaft to be adjusted in a desired direction in the event of a power failure until a defined stop position is reached.
Wellgetriebe arbeiten prinzipbedingt mit einem verformbaren Getriebeelement. Im Fall der
Statt einer simplen zylindrischen Form, wie sie bei einem Flexring gegeben ist, kann ein nachgiebiges Getriebeelement eines Wellgetriebes zum Beispiel auch eine Topfform beschreiben. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente
Ebenso sind Wellgetriebe bekannt, deren elastisches Getriebeelement eine Hutform, auch als Kragenform bezeichnet, beschreibt. Derartige Wellgetriebe sind beispielsweise aus den Dokumenten
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickeltes, durch eine Feder mit einem Drehmoment in Richtung einer Anschlagsposition vorgespanntes Wellgetriebe anzugeben, welches sich durch einen besonders kompakten, fertigungsfreundlichen Aufbau auszeichnet.The invention is based on the object of specifying a harmonic drive which has been further developed compared to the cited prior art and is prestressed by a spring with a torque in the direction of a stop position, which is characterized by a particularly compact, production-friendly structure.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Montage eines Wellgetriebes gemäß Anspruch 10. 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.This object is achieved according to the invention by a harmonic drive with the features of
Das Wellgetriebe umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein Gehäuse, ein im Gehäuse drehbar gelagertes Abtriebselement, sowie ein flexibles, außenverzahntes Getriebeelement, zu dessen Verformung ein Wellgenerator vorgesehen ist. Das in typischen Ausgestaltungen als Antriebselement fungierende Gehäuse wird ebenso wie das Abtriebselement als Anschlusselement des Wellgetriebes bezeichnet. In dem Gehäuse ist ein zwischen den Anschlusselementen wirksames, als Drehfeder ausgebildetes, in eine Federkassette integriertes Federelement angeordnet.In a basic concept known per se, the harmonic drive comprises a housing, an output element rotatably mounted in the housing, and a flexible, externally toothed gear element, for the deformation of which a wave generator is provided. The housing, which functions as a drive element in typical configurations, is referred to as the connection element of the harmonic drive, just like the output element. A spring element, designed as a torsion spring and integrated in a spring cassette, which acts between the connection elements, is arranged in the housing.
Erfindungsgemäß ist das Federelement einerseits an einem Verstellelement des Wellgenerators und andererseits an einem der Anschlusselemente, das heißt entweder am Antriebselement oder am Abtriebselement, angehängt. Bei dem flexiblen Getriebeelement handelt es sich beispielsweise um ein topfförmiges Element, das heißt einen Flextopf, um eine Kragenhülse, oder um einen einfachen Flexring.According to the invention, the spring element is attached on the one hand to an adjusting element of the wave generator and on the other hand to one of the connection elements, that is to say either on the drive element or on the output element. The flexible gear element is, for example, a cup-shaped element, that is to say a flexible cup, a collar sleeve, or a simple flexible ring.
Von bekannten vorgespannten Wellgetrieben, bei welchen ein Federelement direkt zwischen das Antriebselement und das Abtriebselement gespannt ist, unterscheidet sich das erfindungsgemäße Wellgetriebe somit grundsätzlich dadurch, dass das Federelement am Verstellelement, welches in typischen Anwendungen elektrisch angetrieben ist, angehängt ist. Der Begriff „angehängt“ wird unabhängig davon verwendet, wie die Kraft- und Drehmomentübertragung zwischen dem Federelement einerseits und dem Verstellelement beziehungsweise Anschlusselement andererseits realisiert ist. In jedem Fall ist das Federelement getrieblich zwischen dem Verstellelement und einem der Anschlusselemente angeordnet. Dies bedeutet, dass die Federkraft durch die Übersetzung des als Stellgetriebe verwendeten Wellgetriebes auf das Abtriebselement einwirkt.From known preloaded wave drives, in which a spring element is tensioned directly between the drive element and the output element, the wave drive according to the invention differs fundamentally in that the spring element is attached to the adjustment element, which is electrically driven in typical applications. The term “attached” is used regardless of how the force and torque transmission between the spring element on the one hand and the adjusting element or connection element on the other hand is implemented. In any case, the spring element is arranged in a geared manner between the adjusting element and one of the connecting elements. This means that the spring force acts on the output element through the translation of the harmonic drive used as an adjusting gear.
Je nach Verwendung des Wellgetriebes kann dessen Gehäuse entweder ein als Ganzes drehbares Antriebselement darstellen oder fest in eine Umgebungskonstruktion eingebaut sein. Der erste Fall ist bei einer Anwendung als Stellgetriebe eines Nockenwellenverstellers, der zweite Fall bei Anwendung als Stellgetriebe einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors gegeben.Depending on the use of the harmonic drive, its housing can either represent a drive element that can be rotated as a whole or be permanently installed in a surrounding structure. The first case is given when used as an adjusting gear of a camshaft adjuster, the second case when used as an adjusting gear of a device for varying the compression ratio of a reciprocating piston engine.
In einer möglichen Ausgestaltung ist die Federkassette innerhalb des als Flextopf gestalteten nachgiebigen Getriebeelementes axial zwischen dem Verstellelement und einem Boden des Abtriebselementes angeordnet, wobei das Abtrieselement vorzugsweise ebenfalls topfförmig gestaltet ist. Die Anordnung der Federkassette in einem ringscheibenförmigen Raum zwischen dem Verstellelement und dem Boden des Abtriebselementes ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau des Wellgetriebes und zugleich eine geschützte Unterbringung der Federkassette innerhalb des durch An- und das Abtriebselement gebildeten Hohlraums.In one possible embodiment, the spring cassette is in the form of a flexible pot designed flexible gear element arranged axially between the adjusting element and a bottom of the output element, wherein the Abtrieselement is preferably also cup-shaped. The arrangement of the spring cassette in an annular disk-shaped space between the adjusting element and the bottom of the output element enables a particularly compact construction of the harmonic drive and at the same time a protected accommodation of the spring cassette within the cavity formed by the input and output element.
Die Federkassette weist gemäß einer möglichen Bauform ein topfförmiges Kassettengehäuse mit einem nicht geschlossenen Boden auf, welcher in einen eine zentrale Öffnung begrenzenden inneren zylindrischen Abschnitt übergeht, der in einer entsprechend dimensionierten Öffnung im Boden des Abtriebselementes, insbesondere per Pressverband, gehalten ist. Auch sonstige zur Übertragung eines Drehmoments geeignete Verbindungen zwischen dem Gehäuse der Federkassette und dem Abtriebselement kommen in Betracht. Insbesondere kann eine solche Verbindung mit Hilfe einer Zentralschraube, mit der das Abtriebselement an der zu verstellenden Welle festgeschraubt ist, hergestellt sein. In allen Fällen ist ein Ende des Federelementes, insbesondere das äußere Federende im Fall der Ausbildung des Federelementes als Spiralfeder, kraftübertragend mit dem Gehäuse der Federkassette gekoppelt.According to one possible design, the spring cassette has a pot-shaped cassette housing with a non-closed base, which merges into an inner cylindrical section delimiting a central opening, which is held in a correspondingly dimensioned opening in the base of the output element, in particular by an interference fit. Other connections between the housing of the spring cassette and the output element that are suitable for transmitting a torque can also be considered. In particular, such a connection can be established with the aid of a central screw with which the output element is screwed to the shaft to be adjusted. In all cases, one end of the spring element, in particular the outer spring end if the spring element is designed as a spiral spring, is coupled to the housing of the spring cassette in a force-transmitting manner.
Das Gehäuse der Federkassette ist komplettiert durch einen Kassettendeckel, welcher auf das topfförmige Kassettengehäuse, das heißt den Hauptteil des Gehäuses, gesetzt ist. Zur Verbindung zwischen dem Kassettengehäuse und dem Kassettendeckel kommen verschiedenste Verbindungstechnologien in Betracht. Beispielhaft sind Clinchen und Nieten als Formschlussverbindungen, kraftschlüssige Verbindungen, wie ein Pressverband, sowie eine durch Punktschweißen hergestellte stoffschlüssige Verbindung zu nennen. Unabhängig von der Art der Verbindung zwischen dem Kassettendeckel und dem Kassettengehäuse kann ein Teil der Federkassette, insbesondere der Kassettendeckel, als Axialanschlag gegenüber einem Außenring des Wellgenerators fungieren.The housing of the spring cassette is completed by a cassette cover which is placed on the cup-shaped cassette housing, that is to say the main part of the housing. A wide variety of connection technologies can be used for the connection between the cassette housing and the cassette cover. Examples include clinching and riveting as form-fit connections, force-fit connections, such as an interference fit, and a material connection produced by spot welding. Regardless of the type of connection between the cassette cover and the cassette housing, part of the spring cassette, in particular the cassette cover, can function as an axial stop with respect to an outer ring of the wave generator.
Im Vergleich zu dem aus der
Bei dem Verstellelement, welches dem Wellgenerator zuzurechnen ist, handelt es sich vorzugsweise um einen Innenring eines Wälzlagers, beispielsweise Kugellagers, des Wellgenerators. Der Innenring ist in bevorzugter Ausgestaltung durch ein Hülsenelement, welches in den Innenring eingreift, insbesondere in diesen eingepresst ist, mit dem inneren Federende des Federelements verbunden. Hierbei kann sich das typischerweise aus Blech gefertigte Hülsenelement in Axialrichtung, ausgehend vom Innenring, verjüngen, womit ein erweiterter Einbauraum für die Federkassette bereitgestellt wird. Zugleich kann der Innenring durch das Hülsenelement in Axialrichtung gegen das Abtriebselement abgestützt werden, wobei das zusammen mit dem Innenring drehbare Hülsenelement vorzugsweise nicht direkt gegen das Abtriebselement, sondern gegen den Boden des flexiblen Getriebeelements, das heißt Flexrings, anläuft.The adjusting element, which can be assigned to the wave generator, is preferably an inner ring of a roller bearing, for example a ball bearing, of the wave generator. In a preferred embodiment, the inner ring is connected to the inner spring end of the spring element by a sleeve element which engages in the inner ring, in particular is pressed into it. In this case, the sleeve element, which is typically made of sheet metal, can taper in the axial direction, starting from the inner ring, which provides an expanded installation space for the spring cassette. At the same time, the inner ring can be supported by the sleeve element in the axial direction against the output element, the sleeve element rotatable together with the inner ring preferably not running directly against the output element, but against the bottom of the flexible gear element, i.e. flexring.
Bei typischen Anwendungen als Stellgetriebe weist die Drehfeder des Wellgetriebes, das heißt das als Bandfeder gestaltete Federelement, beispielsweise eine Materialstärke von mindestens 0,15 mm und maximal 0,3 mm, insbesondere eine Stärke von 0,2 mm, auf. Aufgrund der hohen Untersetzung des Wellgetriebes ist die damit erzeugte Federkraft ausreichend zur Verdrehung des Verstellelementes, womit indirekt auch das vorzugsweise topfförmig gestaltete Abtriebselement gegenüber dem Gehäuse verdreht wird. Um das Abtriebselement über einen vorgegeben maximalen Schwenkwinkel von einigen zehn Grad gegenüber dem Gehäuse zu verschwenken, sind mehrere Umdrehungen des Verstellelementes erforderlich. Mit Hilfe der als Wickelfeder ausgebildeten Drehfeder ist dies bewerkstelligbar.In typical applications as an adjusting gear, the torsion spring of the harmonic drive, that is, the spring element designed as a band spring, has a material thickness of at least 0.15 mm and a maximum of 0.3 mm, in particular a thickness of 0.2 mm. Due to the high reduction of the harmonic drive, the spring force thus generated is sufficient to rotate the adjusting element, which indirectly also rotates the preferably cup-shaped output element relative to the housing. In order to swivel the output element over a predetermined maximum swivel angle of a few tens of degrees with respect to the housing, several revolutions of the adjusting element are required. This can be accomplished with the aid of the torsion spring designed as a clock spring.
Allgemein zeichnet sich das Wellgetriebe aufgrund der Integration des Federelementes in eine Federkassette durch eine besonders rationelle und prozesssichere Montage aus. Bei der Montage wird davon ausgegangen, dass zunächst verschiedene Komponenten, nämlich ein Antriebselement, ein im Antriebselement lagerbares, mit einer zu verstellenden Welle zu verbindendes Abtriebselement, ein flexibles, beispielsweise topfförmiges Getriebeelement, ein Wellgenerator, welcher ein Wälzlager einschließlich eines nicht kreisrunden, elliptischen Innenrings umfasst, eine Federkassette mit einem als Torsionsfeder wirksamen Federelement, sowie ein Hülsenelement, dessen Durchmesser auf den Innendurchmesser des Innenrings sowie auf den Innendurchmesser des Federelements abgestimmt ist, bereitgestellt werden.In general, due to the integration of the spring element in a spring cassette, the harmonic drive is characterized by a particularly efficient and process-reliable assembly. During assembly, it is assumed that initially various components, namely a drive element, an output element that can be stored in the drive element and connected to a shaft to be adjusted, a flexible, for example pot-shaped gear element, a wave generator, which has a roller bearing including a non-circular, elliptical inner ring comprises, a spring cassette with a spring element acting as a torsion spring, and a sleeve element, the diameter of which is matched to the inner diameter of the inner ring and to the inner diameter of the spring element, are provided.
Im Zuge des Montageverfahrens werden der Wellgenerator, das flexible, beispielsweise topfförmige Getriebeelement und die Federkassette in einen durch das Antriebselement und das Abtriebselement gebildeten Hohlraum eingesetzt, wobei der Innenring über das Hülsenelement mit einem inneren Federende des Federelementes verbunden wird.In the course of the assembly process, the wave generator, the flexible one, for example cup-shaped gear element and the spring cassette inserted into a cavity formed by the drive element and the output element, the inner ring being connected to an inner spring end of the spring element via the sleeve element.
Sofern das nachgiebige Getriebeelement topfförmig gestaltet ist, kann bei der Montage der Boden dieses Getriebeelementes durch die Verbindung des Kassettengehäuses der Federkassette mit dem Abtriebselement drehfest an das Abtriebselement angeschlossen werden. Innerhalb des fertig montierten Wellgetriebes ist damit der Boden des Flextopfes sandwichartig zwischen dem Gehäuse der Federkassette und dem Boden des Abtriebselementes angeordnet.If the flexible gear element is cup-shaped, the base of this gear element can be connected to the output element in a rotationally fixed manner by connecting the cassette housing of the spring cassette to the output element. The base of the flexible pot is thus sandwiched between the housing of the spring cassette and the base of the output element within the fully assembled harmonic drive.
Das Wellgetriebe ist nicht nur für die Verwendung als Stellgetriebe eines Verbrennungsmotors, sondern auch für industrielle Anwendungen, beispielsweise in einer Werkzeugmaschine oder in einem Industrieroboter, geeignet.The harmonic drive is not only suitable for use as a control gear of an internal combustion engine, but also for industrial applications, for example in a machine tool or in an industrial robot.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch die Federkassette eine axiale Abstützung des als dünnwandige Spiralfeder ausgebildeten Federelementes in beide Richtungen gegeben ist, wobei die Federkassette einen einfachen Einbau des Federelementes in vorgespanntem Zustand ermöglicht.The advantage of the invention lies in the fact that the spring cassette provides axial support for the spring element, which is designed as a thin-walled spiral spring, in both directions, the spring cassette allowing the spring element to be easily installed in the pretensioned state.
Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wellgetriebes in vereinfachter Schnittdarstellung, -
2 eine Federkassette des Wellgetriebes nach1 in einer Schnittdarstellung, -
3 die Federkassette nach2 in Explosionsdarstellung, -
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Wellgetriebes, -
5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Wellgetriebes.
-
1 a first embodiment of a harmonic drive in a simplified sectional view, -
2 a spring cassette of thewave gear 1 in a sectional view, -
3 thespring cassette 2 in exploded view, -
4th a second embodiment of a harmonic drive, -
5 a third embodiment of a harmonic drive.
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.Unless otherwise stated, the following explanations relate to all exemplary embodiments. Parts which correspond to one another or have the same effect in principle are identified in all figures with the same reference symbols.
Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen
Das Wellgetriebe
Das Wellgetriebe
Zur Verformung des Flextopfes
Die Kugeln
Die Außenverzahnung
Durch eine unterschiedliche Anzahl an Zähnen der Verzahnung des Antriebselementes
Zur axialen Sicherung des Abtriebshohlrades
Der Innenring
Solange das Verstellelement
Das Federelement
Im Fall von
An den nicht geschlossenen, im Fall von
Am Flansch
Im Ausführungsbeispiel nach
Die gesamte Federkassette
Zur Anhängung des Federelementes
Das mit 31 bezeichnete innere Federende des Federelementes
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- WellgetriebeStrain wave gear
- 22
- Gehäuse, Antriebselement, AnschlusselementHousing, drive element, connection element
- 33
- KettenradSprocket
- 44th
- Abtriebselement, Abtriebshohlrad, AnschlusselementOutput element, output ring gear, connection element
- 55
- Boden des AbtriebselementesBottom of the output element
- 66th
- Öffnungopening
- 77th
- flexibles Getriebeelementflexible gear element
- 88th
- WellgeneratorWave generator
- 99
- Wälzlager, KugellagerRolling bearings, ball bearings
- 1010
- Innenring, VerstellelementInner ring, adjusting element
- 1111
- Kugel, WälzkörperBall, rolling element
- 1212
- AußenringOuter ring
- 1313
- AußenverzahnungExternal toothing
- 1414th
- SicherungsringLocking ring
- 1515th
- Bolzenbolt
- 1616
- FederelementSpring element
- 1717th
- HülsenelementSleeve element
- 1818th
- zylindrischer Abschnitt des flexiblen Getriebeelementescylindrical section of the flexible gear element
- 1919th
- Boden des FlextopfesBottom of the flex pot
- 2020th
- FederkassetteSpring cassette
- 2121st
- KassettengehäuseCassette housing
- 2222nd
- innerer zylindrischer Abschnitt des Kassettengehäusesinner cylindrical portion of the cassette housing
- 2323
- Boden des KassettengehäusesBottom of the cassette case
- 2424
- äußerer zylindrischer Abschnitt des Kassettengehäusesouter cylindrical portion of the cassette housing
- 2525th
- äußeres Federendeouter spring end
- 2626th
- KassettendeckelCassette cover
- 2727
- äußerer Scheibenabschnitt des Kassettendeckelsouter disc portion of the cassette lid
- 2828
- innerer Scheibenabschnitt des Kassettendeckelsinner disc section of the cassette lid
- 2929
- Schlitz im KassettengehäuseSlot in the cassette housing
- 3030th
- Schlitz im HülsenelementSlot in the sleeve element
- 3131
- inneres Federendeinner spring end
- 3232
- zylindrischer Abschnitt des Abtriebselementescylindrical section of the output element
- 3333
- Axialanschlagfläche des GehäusesAxial stop surface of the housing
- 3434
- VerdrehwinkelbegrenzungRotation angle limitation
- 3535
- Flansch des KassettengehäusesFlange of the cassette housing
- 3636
- GehäuseringHousing ring
- 3737
- Kragen des flexiblen GetriebeelementesCollar of the flexible gear element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 2011/0030631 A1 [0002, 0004, 0016]US 2011/0030631 A1 [0002, 0004, 0016]
- DE 102017121320 B3 [0005]DE 102017121320 B3 [0005]
- DE 102017109303 B3 [0005]DE 102017109303 B3 [0005]
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- DE 102017119460 B3 [0006]DE 102017119460 B3 [0006]
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