EP3911845B1

EP3911845B1 - Wellgetriebe

Info

Publication number: EP3911845B1
Application number: EP19836787.2A
Authority: EP
Inventors: Daniel Heise; Marco HILDEBRAND; Bastian Hain
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2024-02-21
Anticipated expiration: 2039-12-17
Also published as: EP3911845C0; US20220243620A1; JP2022518453A; CN113302380A; JP7268166B2; EP3911845A1; DE102019101107B4; DE102019101107A1; WO2020147882A1; CN116641772A; US11686225B2

Description

Die Erfindung betrifft ein für die Verwendung als Stellgetriebe eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers geeignetes Wellgetriebe. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Sicherung eines Wellgetriebes gegen Verstellen, insbesondere beim Transport oder während der Montage.
Aus der DE 10 2016 216 594 B3 ist ein Nockenwellenversteller bekannt, welcher mit Hilfe einer Verdrehsicherung gegen unbeabsichtigtes Verstellen gesichert werden kann. Die Verdrehsicherung des bekannten Nockenwellenverstellers umfasst eine das Stellgetriebe vorspannende Feder. Das Stellgetriebe des Nockenwellenverstellers ist als Wellgetriebe mit einem Flexring als elastischem Getriebeelement ausgebildet.
Weitere Vorrichtungen, mit denen ein elektromechanischer Nockenwellenversteller gegen Verstellen gesichert werden kann, sind aus den Dokumenten DE 10 2008 022 931 A1 und DE 10 2008 022 932 A1 bekannt. In diesen Fällen ist als Stellgetriebe des Nockenwellenverstellers ein Taumelscheibengetriebe vorgesehen.
Aus der DE 10 2009 019 397 B4 ist ein Phasenversteller für Verbrennungsmotoren, das heißt ein Nockenwellenversteller, mit einem Verriegelungselement bekannt. Beim Betrieb dieses Nockenwellenverstellers verbleibt das Verriegelungselement in einer Parkposition. Eine Verschiebung des Verriegelungselementes aus seiner Verriegelungsposition in die Parkposition ist durch Drucköl oder -luft möglich. Weitere Nockenwellenversteller dind in DE 10 2016 204 426 A1 und US 2017/0 145 873 A1 gezeigt.
Der Stellantrieb nach DE 10 2016 207 927 A1 beinhaltet eine Anlaufscheibe, die als eine integrierte Transportsicherung fungiert und ein Herausfallen des Wellgenerators verhindert. Als Teil des Stellantriebs kann sie jedoch nicht zur Fixierung der relativen Vorpositionierung der Bauteile des Wellgetriebes genutzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickeltes, gegen unbeabsichtigtes Verstellen sicherbares Wellgetriebe anzugeben, wobei eine besonders leichte Handhabbarkeit der Verdrehsicherungsvorrichtung gegeben sein und von Eingriffen in die Struktur von Komponenten des Wellgetriebes weitestmöglich abgesehen werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Sicherung eines Wellgetriebes gegen Verstellen gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Sicherungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Wellgetriebe einschließlich Verdrehsicherungsvorrichtung, und umgekehrt.
Das Wellgetriebe umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption drei Anschlusselemente, nämlich ein Antriebselement in Form eines Gehäuses, welches als Ganzes drehbar ist, ein mit der zu verstellenden Welle, insbesondere Nockenwelle, zu verbindendes Abtriebselement und ein Verstellelement, sowie eine zwischen zwei der drei Anschlusselementen wirksame Verdrehsicherungsvorrichtung.
Erfindungsgemäß umfasst die Verdrehsicherungsvorrichtung ein zu sämtlichen Anschlusselementen konzentrisches, mit einem der drei Anschlusselemente formschlüssig und mit einem weiteren Anschlusselement kraftschlüssig zusammenwirkendes Sicherungselement. Es hat sich gezeigt, dass damit sowohl eine wirksame Verdrehsicherung erzielbar ist, als auch herkömmliche Wellgetriebe ohne geometrische Modifikation irgendwelcher Komponenten gegen Verstellen, insbesondere während des Transports oder bei der Montage, gesichert werden können.
In bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei dem Sicherungselement um einen Sicherungsring, insbesondere aus Kunststoff, welcher derart platziert werden kann, dass er kraftschlüssig mit dem Antriebselement und formschlüssig mit dem Verstellelement zusammenwirkt.
Hierbei ist vorzugsweise eine formschlüssig wirkende Verdrehsicherungskontur auf Seiten des Verstellelementes durch zwei Bolzen gebildet, welche fest mit einem Innenring eines Wellgenerators des Wellgetriebes verbunden sind. Die beiden Bolzen können Teil einer Oldham-Kupplung sein, welche als Ausgleichskupplung einen Achsversatz zwischen dem Wellgetriebe und einem das Verstellelement, das heißt den Innenring des Wellgenerators samt Bolzen, antreibenden Elektromotor ausgleicht.
Der Sicherungsring ist rationell spritzgusstechnisch herstellbar. In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Sicherungsring U-förmig profiliert. Hierbei ist durch den Sicherungsrings eine formschlüssig wirkende Verdrehsicherungskontur, welche direkt mit den Bolzen des Verstellelementes zusammenwirkt, durch einen gewellten, inneren Abschnitt des U-Profils des Sicherungsrings gebildet. Zugleich weist der Sicherungsring in dieser Ausgestaltung einen glatten, äußeren Abschnitt des U-Profils auf, welcher zur kraftschlüssigen Verdrehsicherung gegenüber dem Antriebselement, das heißt dem Gehäuse des Wellgetriebes, vorgesehen ist.
An das durch den Sicherungsring beschriebene U-Profil ist vorzugsweise ein radial nach außen gerichteter Flansch angeformt, welcher bei eingesetztem Sicherungsring an einer stirnseitigen Fläche des Antriebselementes anliegt. Zur leichteren Handhabbarkeit kann an diesen Flansch eine zum manuellen Entfernen des Sicherungsrings von den Anschlusselementen geeignete Lasche angeformt sein.
Der Sicherungsring hat den Vorteil, dass er in jeder beliebigen Stellung des Verstellelementes gegenüber dem Antriebselement zwischen den genannten Elementen platzierbar ist. Dabei kann sich auch der Sicherungsring selbst in jeder beliebigen Winkellage befinden.
Ist bei der Montage eines Nockenwellenverstellers, welcher das Wellgetriebe als Stellgetriebe umfasst, der zur Betätigung des Wellgetriebes vorgesehene Elektromotor an das Wellgetriebe anzubauen, so kann zunächst eine definierte Winkelrelation zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement des Wellgetriebes eingestellt und mit Hilfe des Sicherungsrings festgehalten werden. Die Winkelstellung des Verstellelementes ist in diesem Moment ohne Belang. Anschließend sind die Ausgleichskupplung sowie der Elektromotor an das Verstellelement anzusetzen. Dies ist nur möglich, nachdem der Sicherungsring von dem Wellgetriebe entfernt wurde, was auf einfache Weise werkzeuglos möglich ist. Eine Montage des Elektromotors bei arretiertem Wellgetriebe ist somit prinzipbedingt ausgeschlossen.
Die mit Hilfe des kraft-/formschlüssig arbeitenden, in jeder Winkelstellung der gegeneinander festzustellenden Elemente gleichermaßen wirksamen Sicherungsrings realisierte Verdrehwinkelarretierung ist auch für die Verwendung in einer automatisierten Fertigungslinie geeignet.
Allgemein zeichnet sich das Verfahren, mit welchem das Wellgetriebe gegen Verstellen gesichert wird, dadurch aus, dass ein Sicherungsring zwischen das Verstellelement und das Gehäuse des Wellgetriebes derart eingesetzt wird, dass gleichzeitig eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Sicherungsring und dem Gehäuse und eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Sicherungsring und dem Verstellelement hergestellt wird.
Das Wellgetriebe ist nicht nur für die Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller, sondern auch für industrielle Anwendungen, beispielsweise in einem Industrieroboter oder in einer Werkzeugmaschine, geeignet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbespiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt:

Fig. 1: ein Wellgetriebe eins elektrischen Nockenwellenverstellers mit eingesetzter Verdrehsicherung in perspektivischer Ansicht,
Fig. 2: eine Schnittdarstellung der Anordnung nach Fig. 1,
Fig. 3: einen Sicherungsring des Wellgetriebes.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wellgetriebe ist Teil eines nicht weiter dargestellten elektrischen Nockenwellenverstellers, welcher der Verstellung einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors, nämlich Hubkolbenmotors, in Relation zu dessen Kurbelwelle dient. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Nockenwellenverstellers einschließlich des Wellgetriebes 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Bei dem als Stellgetriebe verwendeten Wellgetriebe 1 handelt es sich um ein Dreiwellengetriebe. Drei um eine gemeinsame Achse, nämlich die Rotationsachse der Nockenwelle, rotierbare, jeweils unmittelbar mit externen, das heißt nicht dem Wellgetriebe 1 zuzurechnenden Komponenten zusammenwirkende Elemente werden allgemein als Anschlusselemente 2,9,13 bezeichnet. Hierbei handelt es sich um ein als Gehäuse ausgebildetes Antriebselement 2, ein Verstellelement 9, sowie ein als Hohlrad gestaltetes Abtriebselement 13.
Das Antriebselement 2 ist im Ausführungsbeispiel mehrteilig aufgebaut und umfasst ein Kettenrad 3, das beim Betrieb des Nockenwellenverstellers von der Kurbelwelle angetrieben wird, wobei es mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert. Das Abtriebselement 13 ist zur drehfesten Verbindung mit der zu verstellenden Nockenwelle vorgesehen. Das Verstellelement 9 ist als Innenring eines Wälzlagers 8 ausgebildet, welches Teil eines Wellgenerators 7 ist. Der Wellgenerator 7 wird über eine Ausgleichskupplung, nämlich Oldham-Kupplung, von einem nicht dargestellten Elektromotor, beispielsweise einem bürstenlosen Synchronmotor, angetrieben. Die Ausgleichskupplung weist eine nicht dargestellte Oldham-Scheibe auf, in die bei fertig montiertem Nockenwellenversteller zwei Bolzen 14 eingreifen. Die Bolzen 14 sind in dem genannten Wälzlagerinnenring befestigt und dem Verstellelement 9 zuzurechnen.
Solange das Verstellelement 9 mit der Drehzahl des Antriebselementes 2 rotiert, dreht sich auch die Nockenwelle samt Abtriebselement 13 mit dieser Drehzahl. Eine Phasenverstellung der Nockenwelle findet in diesem Betriebszustand des Wellgetriebes 1 somit nicht statt.
Die Außenkontur des als Wälzlagerring ausgebildeten Verstellelements 9 weicht von einer Kreisform ab. In an sich bekannter Weise ist durch das Verstellelement 9 eine nicht kreisrunde, elliptische Laufbahn für Wälzkörper 10, nämlich Kugeln, gebildet. Ein zugehöriger Außenring 11, in welchem die Kugeln 10 abrollen, ist im Gegensatz zum Verstellelement 9 nachgiebig gestaltet, so dass er sich permanent der unrunden Form des Verstellelements 9 anpasst. Der Außenring 11 wiederum ist umgeben von einem flexiblen Getriebeelement 12, welches außenverzahnt ist und auch Flexring bezeichnet wird.
Die Außenverzahnung des Flexrings 12 greift an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen in Innenverzahnungen des Kettenrads 3 sowie des Abtriebselementes 13 ein. Das Kettenrad 3 ist durch Schrauben 6 fest mit einem Gehäuseelement 4 verbunden, welches ebenfalls dem Antriebselement 2 zuzurechnen ist. Ferner ist dem Antriebselement 2 ein Gehäusedeckel 5 zuzurechnen, welcher sich auf der der zu verstellenden Nockenwelle zugewandten Stirnseite des Wellgetriebes 1 befindet. Durch den Gehäusedeckel 5 ist das Abtriebselement 13 in Axialrichtung innerhalb des Wellgetriebes 1 gesichert. Das Gehäuseelement 4 dient dazu, den Außenring 11 und damit den gesamten Wellgenerator 7 in der entgegengesetzten Axialrichtung innerhalb des Wellgetriebes 1 zu sichern.
Durch unterschiedliche Zähnezahlen der Verzahnungen des Flexrings 12, des Antriebselementes 2, sowie des Abtriebselementes 13 wird in an sich bekannter Weise dafür gesorgt, dass eine volle Umdrehung des Verstellelementes 9 gegenüber dem Antriebselement 2 in eine vergleichsweise geringe Verschwenkung zwischen dem Antriebselement 2 und dem Abtriebselement 13 umgesetzt wird. Hierbei kann eine Kupplungsstufe entweder zwischen dem Flexring 12 und dem Antriebselement 2 oder zwischen dem Flexring 12 und dem Abtriebselement 13 gebildet sein. Die Übersetzungsstufe des Wellgetriebes ist dementsprechend entweder dem Flexring 12 und dem Abtriebselement 13 oder zwischen dem Flexring 12 und dem Antriebselement 2 gebildet. Im erstgenannten Fall handelt es sich bei dem Wellgetriebe 1 um ein Plusgetriebe, im letztgenannten Fall um ein Minusgetriebe.
Bevor der Elektromotor am Wellgetriebe 1 montiert wird, ist dieses zunächst in definierter Position blockiert. Zu diesem Zweck ist in eine Verdrehsicherungsvorrichtung 15 vorgesehen, welche einerseits durch zwei Elemente 2, 9, nämlich das Antriebselement 2 und das Verstellelement 9, welche den Anschlusselementen des Wellgetriebes 1 zuzurechnen sind, und andererseits durch ein Sicherungselement 18 in Form eines Sicherungsrings gebildet ist.
Der Sicherungsring 18 wirkt außenseitig kraftschlüssig mit dem Antriebselement 2 und innenseitig formschlüssig mit dem Verstellelement 9 zusammen. Im Querschnitt beschreibt der Sicherungsring 18, bei welchem es sich um ein im Spritzgussverfahren hergestelltes Kunststoffteil handelt, ein U-Profil 19.
Durch das U-Profil 19 ist ein innerer, gewellter Abschnitt 20 gebildet, welcher einer formschlüssigen Verdrehsicherung zuzurechnen ist, die zwischen dem Verstellelement 9 und dem Sicherungsring 18 herstellbar ist. Die formschlüssige Verdrehsicherung ist dabei aufgebaut aus einer inneren Verdrehsicherungskontur 16 auf Seiten des Verstellelementes 9 und einer äußeren Verdrehsicherungskontur 17 auf Seiten des Sicherungsrings 18. Hierbei wird die innere Verdrehsicherungskontur 16 durch Teile, die ohnehin beim Wellgetriebe 1 vorhanden sind, nämlich durch die Bolzen 14, bereitgestellt. Die zugehörige äußere Verdrehsicherungskontur 17 liegt in Form des ringförmig geschlossenen, gewellten Abschnitts 20 des Sicherungsrings 18 vor.
Der gewellte Abschnitt 20 ist konzentrisch umgeben von einem äußeren, glatten Abschnitt 21, der ebenfalls durch das U-Profil 19 des Sicherungsrings 18 gebildet ist. Im Ausführungsbeispiel kontaktiert der äußere, ringförmige Abschnitt 21 eine zylindrische Innenumfangsfläche des Gehäuseelementes 4. In jedem Fall ist der glatte Abschnitt 21 Teil einer kraftschlüssig wirkenden Verdrehsicherung zwischen dem Sicherungsring 18 und dem Antriebselement 2.
An den äußeren, zylindrischen Abschnitt 21 schließt ein radial nach außen gerichteter Flansch 22 des Sicherungsrings 18 an. Dieser Flansch 22 liegt in der Anordnung nach den Figuren 1 und 2 stirnseitig am Gehäuseelement 4 an. Weiter ist eine vom Flansch 22 ausgehende Lasche 23 erkennbar, die dem einfachen manuellen Abnehmen des Sicherungsrings 18 vom Wellgetriebe 1 dient. Der Anbau des Elektromotors des Nockenwellenverstellers an das Wellgetriebe 1 ist ausschließlich bei abgenommenem Sicherungsring 18 möglich.

Bezugszeichenliste

1: Wellgetriebe
2: Gehäuse, Antriebselement
3: Kettenrad
4: Gehäuseelement
5: Gehäusedeckel
6: Schraube
7: Wellgenerator
8: Wälzlager
9: Innenring, Verstellelement
10: Wälzkörper
11: Außenring
12: Flexring, felxibles Getriebeelement
13: Abtriebshohlrad, Abtriebselement
14: Bolzen
15: Verdrehsicherungsvorrichtung
16: innere Verdrehsicherungskontur
17: äußere Verdrehsicherungskontur
18: Sicherungselement, Sicherungsring
19: U-Profil
20: innerer, gewellter Abschnitt
21: äußerer, glatter Abschnitt
22: Flansch
23: Lasche

Claims

Wellgetriebe (1), mit drei Anschlusselementen (2 , 9, 13), nämlich einem Antriebselement (2), einem Abtriebselement (13) und einem Verstellelement (9), sowie einer zwischen den Anschlusselementen (2, 9, 13) wirksamen, verdrehsichernden Montagesicherung (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Montagesicherung (15) ein zu den Anschlusselementen (2,9,13) konzentrisches, mit einem der Anschlusselemente (9) formschlüssig und mit einem weiteren Anschlusselement (2) kraftschlüssig zusammenwirkendes Sicherungselement (18) umfasst.
Wellgetriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungselement (18) zur kraftschlüssigen Zusammenwirkung mit dem Antriebselement (2) und zur formschlüssigen Zusammenwirkung mit dem Verstellelement (9) ausgebildet ist.
Wellgetriebe (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine formschlüssig wirkende Verdrehsicherungskontur (16) auf Seiten des Verstellelementes (9) durch zwei Bolzen (14) gebildet ist, welche fest mit einem Innenring eines Wellgenerators (7) verbunden sind.
Wellgetriebe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bolzen (14) Komponenten einer Ausgleichkupplung sind.
Wellgetriebe (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine formschlüssig wirkende Verdrehsicherungskontur (17) auf Seiten des Sicherungselements (18) durch einen gewellten, inneren Abschnitt (20) eines U-Profils (19) des Sicherungselements (18) gebildet ist.
Wellgetriebe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (18) zur kraftschlüssigen Verdrehsicherung gegenüber dem Antriebselement (2) einen glatten, äußeren Abschnitt (21) des U-Profils (19) aufweist.
Wellgetriebe (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass an das durch das Sicherungselement (18) beschriebene U-Profil (19) ein Flansch (22) angeformt ist, welcher zur Anlage am Antriebselement (2) vorgesehen ist.
Wellgetriebe (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den Flansch (22) eine zum manuellen Entfernen des Sicherungselements (18) von den Anschlusselementen (2,9,13) geeignete Lasche (23) angeformt ist.
Verfahren zur Sicherung eines Wellgetriebes (1) gegen Verstellen, mit folgenden Schritten:
- Bereitstellung eines Wellgetriebes (1), welches ein als Ganzes drehbares, als Antriebselement (2) fungierendes Gehäuse, sowie ein als Komponente eines Wellgenerators (7) ausgebildetes Verstellelement (9) aufweist,

- Bereitstellung eines Sicherungsrings (18) als verdrehsichernde Montage- sicherung,

- Einsetzen des Sicherungsrings (18) zwischen das Verstellelement (9) und das Gehäuse (2) derart, dass gleichzeitig eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Sicherungsring (18) und dem Gehäuse (2) und eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Sicherungsring (18) und dem Verstellelement (9) hergestellt wird,
Verfahren nach Anspruch 9, wobei nach dem Einsetzen des Sicherungsrings (18) das Antriebselements (2) und das Abtriebselement (13) an jeweils einem Bauteil derart fixiert wird, dass eine Relativverstellung der Bauteile bei stillstehendem Verstellelement (9) unterbunden ist, und wobei nach dem Fixieren der Sicherungsring (18) entfernt wird.