EP2676012B1 - 3-wellen-verstellgetriebe mit integrierter überlastkupplung - Google Patents
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- EP2676012B1 EP2676012B1 EP11793440.6A EP11793440A EP2676012B1 EP 2676012 B1 EP2676012 B1 EP 2676012B1 EP 11793440 A EP11793440 A EP 11793440A EP 2676012 B1 EP2676012 B1 EP 2676012B1
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- F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
- F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
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- F01L1/352—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using bevel or epicyclic gear
Definitions
- the invention relates to a 3-shaft adjusting according to the preamble of claim 1 with a rotatably connected to a drive shaft driving part, a rotatably connected to an output shaft driven part and a rotatably connected to an adjusting actuator.
- 3-shaft adjusting are used for example in internal combustion engines for adjusting phase angles, primarily for adjusting the opening and closing times of the gas exchange valves used (camshaft adjuster, phaser for actuator shafts in variable valve trains).
- the phase adjuster is arranged as an actuator in a 3-shaft system.
- Primary power is supplied to the 3-shaft system through the drive shaft (sprocket), which is output through the output shaft (e.g., camshaft).
- the actuator is arranged as a link between the drive shaft and the shaft to be driven in the power flow. It allows a third shaft (adjusting shaft) superimposed on the drive power additionally coupled mechanical power into the shaft system or remove it. As a result, the predetermined by the drive shaft movement function (phase angle) can be changed to the output shaft.
- 3-shaft adjustment examples include swash plate gear and mecanical gear, which, for example, in the WO 2006/018080 are described. This includes the from the WO 2005/080757 known wave gear and in the US 2007/0051332 A1 and US 2003/0226534 A1 contained gear.
- phasers are known in the art. For example, in DE 10 2004 009 128 A1 . DE 10 2005 059884 A1 and DE 10 2004 038 681 A1 electromechanical camshaft adjuster described.
- an electromechanical camshaft adjuster is known in which the adjusting motor is connected by means of a releasable coupling with the adjusting gear.
- the coupling transmittable to the adjusting torque can be limited. This then acts as a safety clutch.
- a special case of a 3-shaft variable speed is a 2-shaft arrangement in adjusting drives, in which the drive shaft is fixed to the housing, d. H. only power is transferred between the adjusting shaft and the output shaft.
- Such a device serves to convert a drive power inputted at a high speed and a low load into a low-speed and high-load output, and finds use, for example, in automotive drive reduction drives and in industrial applications, e.g. robotics.
- the adjustment range or the drive range is limited by limiting the angle of rotation of one of the three shafts relative to a second shaft or relative to the housing.
- a mechanical stop is used as an integral part of the device.
- the stop between the output shaft and the drive shaft is provided because the adjusting shaft usually covers an angle of more than 360 °.
- the adjustment shaft which is not limited directly in the adjustment angle or drive angle, is then braked in the case of the stop via the transmission kinematics and the rigidity of the transmission elements as soon as the output side reaches the limit of the rotation angle.
- gear parts can deform so much that they collide with each other and bring the actuator to jamming.
- Farther Gear parts can tire prematurely or must be oversized for normal operation in order to endure the high loads in the case of unbraked stop.
- the object of Einfindung is to form a 3-shaft adjustment such that the pulse loads occurring when reaching a stop in the actuator are so attenuated in their effect that jamming or damage to the transmission is prevented.
- a 3-shaft adjusting initially comprises in a known manner with a drive shaft rotatably connectable drive part, a rotatably connected to an output shaft driven part and a rotatably connected to an adjusting shaft of an actuator actuator. Between two of the three shafts, usually between the drive part and the output part, a first mechanical stop for limiting an adjustment angle between the drive shaft and the output shaft is provided.
- an overload clutch integrated in the actuator is provided between the actuator and the drive part or between the actuator and the output part.
- the overload clutch is formed by the fact that the actuator has a spur gear in the radial direction with an elasticity.
- the elasticity may be formed for example by an elastic layer or by elastic rolling elements, wherein as elastic rolling elements, e.g. Hollow balls or sleeves or rolling elements are made of a material with a lower modulus of elasticity.
- elastic rolling elements e.g. Hollow balls or sleeves or rolling elements are made of a material with a lower modulus of elasticity.
- the concept according to the invention is based on a torsionally soft toothing of the actuator. Due to the inertia of the adjusting and the electric motor creates a so-called collision torque in the attack case, which causes in addition to the tangential force a radial tooth force in the teeth in analogy to the normal engagement angle.
- the radial stiffness of the actuator normally counteracts this force.
- the radial elasticity is to be dimensioned such that, starting from a certain amount of the radial force component of the transmitted torque (for example, the collision moment), the teeth of two corresponding gear wheels radially dodge one another. The teeth then slide tangentially together under high radial tension on the tooth heads, until they are pushed back into the tooth space and snap over the adjusting shaft.
- Fig. 1 shows the contact conditions in a gearbox at the time of over-snapping (oversensing). Shown are a ring gear 01 with an internal toothing 02 and a spur gear 03 with external teeth 04.
- the spur gear 03 here forms an actuator of a 3-shaft variable speed, not shown, while the ring gear 01 may be part of a drive part or driven part.
- the direction of rotation of the spur gear 03 is represented by an arrow 05. It can be seen that the tooth tips of the spur gear 03 yield in the radial direction and slide along the tooth tips of the internal teeth 02, before the teeth re-immerse each other due to the elasticity.
- over-snapping in the gearing 02, 04 is permitted in the event of an overload and the resulting stresses on the gearing members are reduced.
- the rigidity, and thus the radial strain in case of overload is chosen so that the oversensing of the affected transmission components can be tolerated at least time within the required life of the actuator. In addition, no damage may occur in the toothing or in the bearings, which impair the function could. The time-stable design is permissible since the operating state shown will only occur under boundary conditions. On the other hand, the rigidity must be high enough to transmit the operating moments.
- the snap-over within the teeth 02, 04 can be regarded as complete cyclic decoupling.
- the decoupling is cyclical, since the tooth heads jump back into a tooth gap as soon as they have slipped past each other, and the transmission is then no longer decoupled.
- Fig. 2 shows an overload clutch according to the invention to a wave generator as an actuator of a 3-shaft variable speed drive in a first embodiment. Shown is a detail of the wave generator with an elliptical inner ring 06, an elliptical outer ring 07 and arranged therebetween Wälz Congressn 08.
- the outer ring 07 carries in a known manner a spur gear toothing 09, which in a ring gear, not shown (see Fig. 1 ) rolls.
- an elastic layer 11 is arranged, which ensures the radial compliance of the spur toothing 09.
- the elastic layer 11 may be a separately made ring or a coating of an elastomer.
- the necessary thickness and elasticity of the elastic layer 11 can be determined by the person skilled in the art on the basis of the given material and gear data.
- Fig. 3 an overload clutch according to the invention is shown on a wave generator as an actuator of a 3-shaft variable speed drive in a second embodiment.
- the elastic layer is formed by a corrugated metal sleeve 12, are impressed in the corrugations.
- Such sheet metal sleeves are also known as tolerance rings for clearance compensation during bearing mounting.
- the elastic layer is dimensioned so that during normal operation of the gear members, the teeth are slightly braced radially against each other.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein 3-Wellen-Verstellgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einem mit einer Antriebswelle drehfest verbindbaren Antriebsteil, einem mit einer Abtriebswelle drehfest verbindbaren Abtriebsteil und einem mit einer Verstellwelle drehfest verbindbaren Stellglied.
- 3-Wellen-Verstellgetriebe kommen beispielsweise in Verbrennungsmotoren zum Verstellen von Phasenwinkeln, vorrangig zur Verstellung der Öffnungs- und Schließzeiten der Gaswechselventile zum Einsatz (Nockenwellenversteller, Phasenversteller für Aktuatorwellen bei variablen Ventiltrieben). Der Phasenversteller ist dabei als Stellglied in einem 3-Wellen-System angeordnet. Primär wird dem 3-Wellen-System über die Antriebswelle (Kettenrad) die Antriebsleistung zugeführt, welche über die Abtriebswelle (z.B. Nockenwelle) wieder abgegeben wird. Das Stellglied ist dabei als Bindeglied zwischen der Antriebswelle und der zu treibenden Welle im Leistungsfluss angeordnet. Es erlaubt über eine dritte Welle (Verstellwelle) überlagert zur Antriebsleistung zusätzlich mechanische Leistung in das Wellensystem einzukoppeln oder aus diesem abzuführen. Dadurch kann die von der Antriebswelle vorgegebene Bewegungsfunktion (Phasenwinkel) zur Abtriebswelle verändert werden.
- Beispiele für derartige 3-Wellen-Verstellgetriebe sind Taumelscheibengetriebe und Innenexzentergetriebe, welche beispielsweise in der
WO 2006/018080 beschrieben sind. Hierzu gehören auch die aus derWO 2005/080757 bekannten Wellgetriebe und die in derUS 2007/0051332 A1 undUS 2003/0226534 A1 enthaltenen Getriebe. - Verschiedene Phasenversteller sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise sind in
DE 10 2004 009 128 A1 ,DE 10 2005 059884 A1 undDE 10 2004 038 681 A1 elektromechanische Nockenwellenversteller beschrieben. - Aus der
DE 102 48 351 A1 ist ein elektromechanischer Nockenwellenversteller bekannt, bei dem der Verstellmotor mittels einer lösbaren Kupplung mit dem Verstellgetriebe verbunden ist. Durch eine entsprechende Auslegung der Kupplung ist das auf die Verstellwelle übertragbare Drehmoment begrenzbar. Diese wirkt dann als Sicherheitskupplung. - Ein Sonderfall eines 3-Wellen-Verstellgetriebes ist eine 2-Wellen-Anordnung in Verstellantrieben, bei denen die Antriebswelle gehäusefest ist, d. h. es wird nur Leistung zwischen Verstellwelle und Abtriebswelle übertragen. Eine solche Vorrichtung dient dazu, eine mit hoher Geschwindigkeit und niedriger Last eingespeiste Antriebsleistung eines Stellers in eine Abtriebsleistung mit geringer Geschwindigkeit und hoher Last zu wandeln und findet Verwendung beispielsweise in Untersetzungsvorrichtungen für Stellantriebe im Automotivbereich sowie in Industrieanwendungen, z.B. der Robotik.
- Um die Peripherie bei Steuerungsfehlern der Aktuatorik vor unerwünschten Kollisionen von Bauteilen zu schützen, wird der Verstellbereich bzw. der Antriebsbereich durch Begrenzung des Drehwinkels einer der drei Wellen relativ zu einer zweiten Welle bzw. relativ zum Gehäuse eingeschränkt. Dazu wird ein mechanischer Anschlag als integraler Bestandteil der Vorrichtung verwendet. Im bekannten Stand der Technik der Nockenwellenversteller ist der Anschlag zwischen der Abtriebswelle und der Antriebswelle vorgesehen, da die Verstellwelle in der Regel einen Winkel von mehr als 360° zurücklegt.
- In einer solchen Ausführung wird dann die nicht unmittelbar im Verstellwinkel bzw. Antriebswinkel begrenzte Verstellwelle im Falle des Anschlages über die Getriebekinematik und die Steifigkeit der Getriebeglieder abgebremst, sobald die Abtriebsseite die Grenze des Drehwinkels erreicht. Dabei können sich in Folge der extrem hohen Lasten Getriebeteile so stark verformen, dass sie untereinander kollidieren und das Stellglied zum Verklemmen bringen. Weiterhin können Getriebeteile frühzeitig ermüden bzw. müssen für den Normalbetrieb überdimensioniert werden, um auch die hohen Lasten im Falle des ungebremsten Anschlags zu ertragen.
- Die Aufgabe der Einfindung besteht darin, ein 3-Wellen-Verstellgetriebe derart auszubilden, dass die beim Erreichen eines Anschlages im Stellglied auftretenden Impulslasten in ihrer Wirkung derart gedämpft sind, dass eine Verklemmung bzw. Beschädigung des Getriebes verhindert wird.
- Die Lösung der Aufgabenstellung gelingt mit einem 3-Wellen-Verstellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch welche eine Entkopplung der Getriebeteile im Anschlagfall erreicht wird.
- Ein 3-Wellen-Verstellgetriebe umfasst zunächst in bekannter Weise ein mit einer Antriebswelle drehfest verbindbares Antriebsteil, ein mit einer Abtriebswelle drehfest verbindbares Abtriebsteil und ein mit einer Verstellwelle eines Stellers drehfest verbindbares Stellglied. Zwischen zwei der drei Wellen, meist zwischen Antriebsteil und Abtriebsteil ist ein erster mechanischer Anschlag zur Begrenzung eines Verstellwinkels zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle vorgesehen.
- Erfindungsgemäß ist zwischen dem Stellglied und dem Antriebsteil oder zwischen dem Stellglied und dem Abtriebsteil eine in das Stellglied integrierte Überlastkupplung vorgesehen.
- In der nachfolgenden Beschreibung wird von einem elektromechanischen Nockenwellenversteller mit einem Wellgetriebe als besonders bevorzugte Ausführungsform in Flachbauweise ausgegangen. Selbstverständlich sind dabei die Lösungen auf Wellgetriebe in Topfbauform wie auf andere Getriebebauformen übertragbar. Die Erfindung ist auch auf andere Getriebeformen übertragbar, bei denen das Stellglied eine Stirnradverzahnung aufweist.
- Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass eine vollständige Entkopplung ohne ein zusätzliches Getriebebauteil möglich ist. Durch die hohen Geschwindigkeiten der Verstellwelle treten an dieser nur geringe Lasten auf, so dass ein "Oversnapping", also ein Umschnappen der Verstellwelle, als preiswerte und platzsparende Lösung für eine Rutschkupplung erscheint.
- In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Überlastkupplung dadurch gebildet, dass das Stellglied eine in radialer Richtung mit einer Elastizität behaftete Stirnradverzahnung aufweist.
- Die Elastizität kann dabei beispielsweise durch eine elastische Schicht oder auch durch elastische Wälzkörper gebildet sein, wobei als elastische Wälzkörper z.B. Hohlkugeln oder Hülsen oder Wälzkörper aus einem Werkstoff mit geringerem E-Modul verwendbar sind.
- Das erfindungsgemäße Konzept basiert auf einer torsionsweichen Verzahnung des Stellgliedes. Durch die Trägheit der Verstellwelle und des Elektromotors entsteht im Anschlagfall ein sogenanntes Kollisionsmoment, welches in Analogie zum Normaleingriffswinkel neben der tangentialen Zahnkraft auch eine radiale Zahnkraft in den Verzahnungsteilen verursacht.
- Die radiale Steifigkeit des Stellgliedes wirkt im Normalfall dieser Kraft entgegen. Gemäß der Erfindung ist die radiale Elastizität so zu dimensionieren, dass ab einem bestimmten Betrag der Radialkraftkomponente des übertragenen Drehmoments (z.B. des Kollisionsmomentes) die Zähne zweier korrespondierender Zahnräder aneinander radial ausweichen. Die Zähne schieben sich dann tangential unter hoher radialer Verspannung an den Zahnköpfen aneinander auf, bis sie wieder in die Zahnlücke zurückgeschoben wurden und die Verstellwelle umschnappt.
- Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert.
- Es zeigen:
- Fig. 1:
- eine Prinzipskizze des Oversnapping als Prinzip einer Überlastkupplung;
- Fig. 2:
- eine erfindungsgemäße Überlastkupplung an einem Wellgenerator als Stellglied eines 3-Wellen-Verstellgetriebes in einer ersten Ausführungsform;
- Fig. 3:
- eine erfindungsgemäße Überlastkupplung an einem Wellgenerator als Stellglied eines 3-Wellen-Verstellgetriebes in einer zweiten Ausführungsform;
-
Fig. 1 zeigt die Kontaktverhältnisse in einem Getriebe zum Zeitpunkt des Überschnappens (Oversnapping). Dargestellt sind ein Hohlrad 01 mit einer Innenverzahnung 02 und ein Stirnrad 03 mit einer Außenverzahnung 04. Das Stirnrad 03 bildet hier ein Stellglied eines nicht dargestellten 3-Wellen-Verstellgetriebes, während das Hohlrad 01 das Bestandteil eines Antriebsteiles oder Abtriebsteiles sein kann. - Die Drehrichtung des Stirnrades 03 ist durch einen Pfeil 05 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Zahnköpfe des Stirnrades 03 in radialer Richtung nachgeben und an den Zahnköpfen der Innenverzahnung 02 entlang gleiten, bevor durch die Elastizität die Verzahnungen wieder ineinander eintauchen.
- Durch eine bewusste Absenkung der radialen Steifigkeit des Stirnrades 03 wird ein Überschnappen (Oversnapping) in der Verzahnung 02, 04 bei Überlast zugelassen und die dabei auftretenden Beanspruchungen der Getriebeglieder reduziert. Die Steifigkeit, und damit die radiale Verspannung im Überlastfall, wird dabei so gewählt, dass das Oversnapping von den betroffenen Getriebebauteilen mindestens zeitfest innerhalb der geforderten Lebensdauer des Stellgliedes ertragen werden kann. Dabei dürfen auch keine Beschädigungen in der Verzahnung oder in den Lagerungen auftreten, welche die Funktion beeinträchtigen könnten. Die zeitfeste Auslegung ist zulässig, da der gezeigte Betriebszustand nur unter Grenzbedingungen auftreten wird. Andererseits muss die Steifigkeit ausreichend hoch sein um die Betriebsmomente übertragen zu können.
- Das Überschnappen innerhalb der Verzahnung 02, 04 kann als vollständige zyklische Entkopplung angesehen werden. Die Entkopplung ist zyklisch, da die Zahnköpfe wieder in eine Zahnlücke springen, sobald sie aneinander vorbei gerutscht sind, und das Getriebe dann nicht mehr entkoppelt ist.
-
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Überlastkupplung an einem Wellgenerator als Stellglied eines 3-Wellen-Verstellgetriebes in einer ersten Ausführungsform. Dargestellt ist ein Detail des Wellgenerators mit einem elliptischen Innenring 06, einem elliptischen Außenring 07 und dazwischen angeordneten Wälzkörpern 08. Der Außenring 07 trägt in bekannter Weise eine Stirnradverzahnung 09, die in einer nicht dargestellten Hohlradverzahnung (sieheFig. 1 ) abwälzt. - Zwischen dem Außenring 07 und der Verzahnung 09 ist eine elastische Schicht 11 angeordnet, die die radiale Nachgiebigkeit der Stirnradverzahnung 09 gewährleistet. Die elastische Schicht 11 kann ein separat gefertigter Ring oder eine Beschichtung aus einem Elastomer sein. Die nötige Dicke und Elastizität der elastischen Schicht 11 kann der Fachmann anhand der vorgegebenen Material- und Getriebedaten bestimmen.
- In
Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Überlastkupplung an einem Wellgenerator als Stellglied eines 3-Wellen-Verstellgetriebes in einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Im Unterschied zu der inFig. 2 gezeigten Ausführungsform ist die elastische Schicht durch eine gewellte Blechhülse 12 gebildet, in die Wellungen eingeprägt sind. Solche Blechhülsen sind auch als Toleranzringe zum Spielausgleich bei der Lagermontage bekannt. - Es hat sich bezüglich der Geräuschentwicklung als vorteilhaft herausgestellt, dass die elastische Schicht so dimensioniert ist, dass bei Normalbetrieb der Getriebeglieder die Verzahnungen leicht radial gegeneinander verspannt sind.
-
- 01
- Hohlrad
- 02
- Innenverzahnung
- 03
- Stirnrad
- 04
- Außenverzahnung
- 05
- -
- 06
- Innenring
- 07
- Außenring
- 08
- Wälzkörper
- 09
- Außenverzahnung
- 10
- -
- 11
- elastische Schicht
- 12
- gewellte Blechhülse
Claims (10)
- 3-Wellen-Verstellgetriebe, umfassend ein mit einer Antriebswelle drehfest verbindbares Antriebsteil, ein mit einer Abtriebswelle drehfest verbindbares Abtriebsteil und ein mit einer Verstellwelle drehfest verbindbares Stellglied, wobei zwischen zwei der drei Wellen ein erster mechanischer Anschlag zur Begrenzung eines Verstellwinkels zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stellglied und dem Antriebsteil oder dem Abtriebsteil eine in das Stellglied integrierte Überlastkupplung vorgesehen ist.
- 3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied eine in radialer Richtung mit einer Elastizität behaftete Stirnradverzahnung als Überlastkupplung aufweist.
- 3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Verstellgetriebe mit einem Wellgenerator als Stellglied ist.
- 3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität durch eine elastische Schicht (11, 12) zwischen einem Außenring und einer Außenverzahnung des Wellgenerators bereitgestellt ist.
- 3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Schicht ein Elastomer (11) enthält.
- 3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Schicht (11) eine Beschichtung oder ein Ring ist.
- 3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Schicht durch eine Blechhülse (12) gebildet ist, in die Wellungen eingeprägt sind.
- 3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechhülse (12) aus Federstahl besteht.
- 3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität durch elastische Wälzkörper des Wellgenerators gebildet ist.
- 3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität durch einen elastischen Innenring des Wellgenerators gebildet ist.
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