WO2018091017A1 - Ausgleichskupplung - Google Patents

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WO2018091017A1
WO2018091017A1 PCT/DE2017/100813 DE2017100813W WO2018091017A1 WO 2018091017 A1 WO2018091017 A1 WO 2018091017A1 DE 2017100813 W DE2017100813 W DE 2017100813W WO 2018091017 A1 WO2018091017 A1 WO 2018091017A1
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compensating
coupling
machine element
machine
shaft
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Jürgen Weber
Peter Zierer
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • F16H49/00—Other gearings
    • F16H49/001—Wave gearings, e.g. harmonic drive transmissions

Definitions

  • the invention relates to a compensation for an axial offset between a first rotating machine element, namely a shaft, and a second rotating machine element suitable compensating coupling.
  • a compensating coupling is known for example from DE 198 57 248 C2. This is a funnelommenkupplung for connecting two shaft ends by means of a cross-plate on a tongue-and-groove system, wherein in the end faces of the cross disc mutually orthogonal radial grooves are recessed. The radial grooves allow the transmission of torque and at the same time allow an axial offset between the disc and the shaft.
  • DE 199 09 931 A1 discloses a coupling for connecting two shaft ends, wherein a coupling element is positively connected to both shaft ends.
  • the coupling element has two fixedly connected, mutually parallel bolts, which engage in each case in a shaft end.
  • Compensating clutches in the form of Oldham clutches are used, inter alia, in electric camshaft adjusters.
  • an Oldham disc that is a compensation element, made of plastic.
  • the Oldham disc engages a two-lobe drive element, which is firmly connected to an output shaft of an actuator.
  • the compensating coupling provided for compensating an axial offset between a first rotating machine element, namely a shaft, and a second rotating machine element not necessarily designed as a shaft, has a compensating element, also referred to as an Oldham element, which acts in a first displacement plane relative to the shaft and in a second orthogonal shift plane relative to the second machine element is displaceable.
  • the compensating element is formed as a longitudinal section C-shaped element, wherein a center piece of the compensating element contacts the first machine element and two outgoing from the central piece C-leg engage in guides, which are formed in the second machine element.
  • the C-shaped compensating element which couples the shaft to the further machine element, is preferably designed as a one-part or multi-part spring element. In the case of multipartite not all components of the compensating element are designed as resilient elements necessarily.
  • the two C-legs of the compensating element can be present, for example, as a spring wire or in the form of curved leaf springs. If the compensating element is integrally formed, so also the center piece of the compensating element is a spring wire section or portion of another spring element. Otherwise, two individual spring sections, in particular spring wire sections, which each form a C-leg of the compensating element, connected to a separate center piece.
  • the center piece has a slot in which a flattened end piece of the first machine element mentes, that is the wave, is guided.
  • the flattened end piece can hereby be widened with respect to the rest of the shaft.
  • the shaft can be formed directly by the motor shaft of a servomotor, that is an adjusting shaft.
  • a sheet metal part can be pressed onto a motor shaft or other actuating shaft or drive shaft, which contacted as part of the shaft, the center piece of the compensating element.
  • a shaft casing attributable to the first machine element is made of a non-ferrous metal alloy or light metal alloy, while the center piece of the compensating element mounted thereon is made of steel.
  • the center piece is, for example, a machined metal part or a sintered part. Likewise, it can be at the center piece to a manufactured by forming metal part.
  • the first machine element relative to the compensating element in both the first displacement plane limited displaceable and displaceable in the axial direction.
  • a limitation of the axial displaceability can be given for example in a first direction by a shoulder of the shaft and in the opposite direction by a locking ring.
  • an axially displaceable guide of the two C-legs can be provided in recesses of the second machine element.
  • the compensating element in particular in the form of a C- or U-shaped bent spring wire, also a firm connection between the compensating element and the first machine element comes into consideration.
  • the displaceability within the first machine plane is given here by elastic properties of the compensation element.
  • the compensation element For example, by a clamping connection, for example in the form of a so-called TOX connection, attached to the shaft. If, on the other hand, a displaceability is provided between the shaft end and the one-piece compensating element, then the compensating element can be guided, for example, in a slot on the shaft end.
  • the second machine part is, for example, the inner ring of a wave generator in a wave gear.
  • Such an inner ring has as a rolling bearing or plain bearing ring on a non-circular outer contour and is used to deform an elastic transmission element.
  • the compensating coupling is particularly suitable for use with a control gear.
  • This may be, for example, a control gear of a device for varying the compression ratio of a reciprocating engine or a control gear of an electric camshaft adjuster.
  • Fig. 3 the compensating coupling in a perspective view.
  • An actuating device 1 which is only partially shown in the figures, comprises a compensating coupling 2, which is a first rotating machine element 3, namely a shaft rotatably coupled to a second rotating machine element, namely an inner ring 1 1 of a wave generator, while allowing a misalignment and a limited tilt between the machine elements 3, 1 1 coupled.
  • the adjusting device 1 is an electric camshaft adjuster, which operates with a corrugated gearbox as an actuating gear.
  • the inner ring 1 1 is part of a wave generator of the wave gear.
  • the first rotating machine element 3 is identical to the motor shaft acting as an adjusting shaft of a servomotor of the adjusting device 1, that is to say of the electric camshaft adjuster.
  • the axis of rotation of the machine element 3 is, apart from a possibly occurring, to be compensated by the compensating coupling 2 axial offset, identical to the axis of rotation of the camshaft to be adjusted.
  • Core component of the compensating coupling 2 is a multi-part compensating element 4, which comprises a central piece 5 with a cylindrical basic shape and a spring device 6 connected thereto.
  • the spring device 6 is constructed from two C-shaped spring arms 7, 8, which are also referred to as C-legs.
  • the C-shape of the entire compensating element 4 is apparent in particular from FIG.
  • the compensation element 4 relative to the shaft 3 in a first displacement plane is displaceable.
  • This first shift plane is defined as the xz plane (FIG. 3).
  • the z-direction is identical to the axial direction of the first machine element 3.
  • the C-legs 7, 8 lie in a second displacement plane, namely yz-plane. From the central piece 5 opposite ends of the spring arms 7, 8 are in the z-direction, that is parallel to the shaft 3, aligned, and engage in recesses 12 of the inner ring 1 1 a.
  • Each acting as a guide recess 12 is designed as a slot, both recesses 12 in the yz plane, that is, the second displacement plane lie.
  • the inner ring 1 1 that is, the second rotating machine element, it is a rolling bearing ring with non-circular outer contour.
  • the inner ring 1 1 rol- len balls 14 as rolling elements, which are guided in a cage 15 and a compliant outer ring 16 contact.
  • the rolling bearing 1 1, 14, 16 thus represents a total of a wave generator within the adjusting device 1.
  • the outer ring 16 which permanently adapts to the non-circular shape of the inner ring 1 1, deforms in a manner known per se a flexible transmission element within a wave gear, which acts as a control gear of the adjusting device 1.

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Abstract

Eine zum Ausgleich eines Achsversatzes zwischen einem ersten rotierenden Maschinenelement (3), nämlich einer Welle, und einem zweiten rotierenden Maschinenelement (4) vorgesehene Ausgleichkupplung (2) weist ein Ausgleichselement (4) auf, welches in einer ersten Verschiebeebene gegenüber dem ersten Maschinenelement (3) und in einer hierzu orthogonalen zweiten Verschiebeebene gegenüber dem zweiten Maschinenelement (11) verschiebbar ist. Das Ausgleichselement (4) ist als im Längsschnitt C-förmiges Element ausgebildet, wobei ein Zentralstück (5) des Ausgleichselementes (4) das erste Maschinenelement (3) kontaktiert und zwei vom Zentralstück (5) ausgehende C-Schenkel (7, 8) in Führungen (12) im zweiten Maschinenelement (11) eingreifen.

Description

Ausgleichskupplung
Die Erfindung betrifft eine zum Ausgleich eines Achsversatzes zwischen einem ersten rotierenden Maschinenelement, nämlich einer Welle, und einem zweiten rotierenden Maschinenelement geeignete Ausgleichskupplung.
Eine Ausgleichskupplung ist beispielsweise aus der DE 198 57 248 C2 bekannt. Es handelt sich hierbei um eine Kreuzscheibenkupplung zum Verbinden von zwei Wel- lenenden mittels einer Kreuzscheibe über ein Nut-Federsystem, wobei in den Stirnseiten der Kreuzscheibe zueinander orthogonale Radialnuten ausgespart sind. Die Radialnuten ermöglichen die Übertragung eines Drehmoments und lassen zugleich einen axialen Versatz zwischen Kreuzscheibe und Welle zu.
Die DE 199 09 931 A1 offenbart eine Kupplung zum Verbinden zweier Wellenenden, wobei ein Kupplungselement mit beiden Wellenenden formschlüssig verbunden ist. Das Kupplungselement weist zwei fest miteinander verbundene, parallel zueinander angeordnete Bolzen auf, welche jeweils in ein Wellenende eingreifen.
Ausgleichskupplungen in Form von Oldham-Kupplungen sind unter anderem in elektrischen Nockenwellenverstellern verwendbar. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die DE 10 2007 051 475 A1 sowie auf die DE 10 2007 049 072 A1 verwiesen. Im letztgenannten Fall ist eine Oldham-Scheibe, das heißt ein Ausgleichselement, aus Kunststoff gefertigt. In die Oldham-Scheibe greift ein zweiflügliges An- triebselement ein, welches fest mit einer Abtriebswelle eines Aktuators verbunden ist.
Weitere Ausgleichskupplungen gehen aus DE 10 2013 215 623 A1 und DE 10 2014 219 364 A1 hervor. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik insbesondere unter fertigungstechnischen Aspekten weiterentwickelte, für ein Stellgetriebe, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, geeignete, besonders robuste Ausgleichskupplung anzugeben.
Diese Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Ausgleichskupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Die zum Ausgleich eines Achsversatzes zwischen einem ersten rotierenden Maschinenelement, näm lich einer Welle, und einem zweiten rotierenden, nicht notwendigerweise als Welle ausgebildeten Maschinenelement vor- gesehene Ausgleichkupplung weist ein auch als Oldham-Element bezeichnetes Ausgleichselement auf, welches in einer ersten Verschiebeebene gegenüber der Welle und in einer hierzu orthogonalen zweiten Verschiebeebene gegenüber dem zweiten Maschinenelement verschiebbar ist. Das Ausgleichselement ist als im Längsschnitt C- förmiges Element ausgebildet, wobei ein Zentralstück des Ausgleichselementes das erste Maschinenelement kontaktiert und zwei vom Zentralstück ausgehende C- Schenkel in Führungen eingreifen, welche im zweiten Maschinenelement gebildet sind.
Das C-förmige Ausgleichselement, welches die Welle mit dem weiteren Maschinen- element koppelt, ist vorzugsweise als ein- oder mehrteiliges Federelement ausgebildet. Im Fall der Mehrteiligkeit sind nicht notwendigerweise sämtliche Bestandteile des Ausgleichselementes als federnde Elemente gestaltet. Die beiden C-Schenkel des Ausgleichselementes können zum Beispiel als Federdraht oder in Form gebogener Blattfedern vorliegen. Ist das Ausgleichselement einstückig ausgebildet, so stellt auch das Zentralstück des Ausgleichselementes einen Federdrahtabschnitt oder Abschnitt eines sonstigen Federelementes dar. Ansonsten sind zwei einzelne Federabschnitte, insbesondere Federdrahtabschnitte, welche jeweils einen C-Schenkel des Ausgleichselementes bilden, mit einem gesonderten Zentralstück verbunden.
Was die Zusammenwirkung des Zentralstücks mit der Welle betrifft, kommen verschiedene Führungsmechanismen in Betracht. Beispielsweise weist das Zentralstück ein Langloch auf, in welchem ein abgeflachtes Endstück des ersten Maschinenele- mentes, das heißt der Welle, geführt ist. Das abgeflachte Endstück kann hierbei gegenüber der übrigen Welle verbreitert sein.
Die Welle kann direkt durch die Motorwelle eines Stellmotors, das heißt eine Verstell- welle, gebildet sein. Ebenso kann auf eine Motorwelle oder sonstige Stellwelle oder Antriebswelle ein Blechteil aufgepresst sein, welches als Bestandteil der Welle das Zentralstück des Ausgleichselementes kontaktiert. Die Werkstoffe, aus welchen die Welle oder zumindest dessen das Zentralstück kontaktierender Abschnitt einerseits und das Zentralstück andererseits gefertigt sind, sind hinsichtlich ihrer Gleiteigen- schaffen aus metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen auswählbar. Beispielsweise ist eine dem ersten Maschinenelement zuzurechnende Wellenummantelung aus einer Buntmetall- oder Leichtmetall-Legierung gefertigt, während das hierauf gleitgelagerte Zentralstück des Ausgleichselementes aus Stahl gefertigt ist. Bei dem Zentralstück handelt es sich beispielsweise um ein spanabhebend gefertigtes Metall- teil oder um ein Sinterteil. Ebenso kann es sich bei dem Zentralstück um ein durch Umformung hergestelltes Metallteil handeln.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist das erste Maschinenelement gegenüber dem Ausgleichselement sowohl in der ersten Verschiebeebene begrenzt verschiebbar als auch in Axialrichtung verlagerbar. Eine Begrenzung der axialen Verlagerbarkeit kann zum Beispiel in einer ersten Richtung durch einen Absatz der Welle und in der Gegenrichtung durch einen Sicherungsring gegeben sein. Anstelle einer begrenzten axialen Verschiebbarkeit zwischen der Welle und dem Zentralstück des Ausgleichselementes oder zusätzlich zu einer solchen Verschiebbarkeit kann auch eine axial verschiebbare Führung der beiden C-Schenkel in Ausnehmungen des zweiten Maschinenelementes vorgesehen sein.
Besonders bei einstückiger Gestaltung des Ausgleichselementes, insbesondere in Form eines C- oder U-förmig gebogenen Federdrahtes, kommt auch eine feste Verbindung zwischen dem Ausgleichselement und dem ersten Maschinenelement in Betracht. Die Verschiebbarkeit innerhalb der ersten Maschinenebene ist hierbei durch elastische Eigenschaften des Ausgleichselementes gegeben. Das Ausgleichselement ist zum Beispiel durch eine Klemmverbindung, beispielsweise in Form einer sogenannten TOX-Verbindung, an der Welle befestigt. Ist dagegen eine Verschiebbarkeit zwischen dem Wellenende und dem einteiligen Ausgleichselement vorgesehen, so kann das Ausgleichselement beispielsweise in einem Schlitz am Wellenende geführt sein.
In allen Bauformen ist durch die Ausgleichskupplung nicht nur ein Achsversatz sondern auch ein Winkelfehler zwischen den drehfest miteinander gekoppelten Maschinenteilen ausgleichbar. Bei dem zweiten Maschinenteil handelt es sich beispielsweise um den Innenring eines Wellgenerators in einem Wellgetriebe. Ein solcher Innenring weist als Wälzlager- oder Gleitlagerring eine nicht kreisrunde Außenkontur auf und dient der Verformung eines elastischen Getriebeelementes.
Die Ausgleichskupplung ist besonders für die Verwendung bei einem Stellgetriebe ge- eignet. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Stellgetriebe einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors oder um ein Stellgetriebe eines elektrischen Nockenwellenverstellers handeln.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung nä- her erläutert. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine Ausgleichskupplung im Querschnitt,
die Ausgleichskupplung im Längsschnitt,
Fig. 3 die Ausgleichskupplung in perspektivischer Ansicht.
Eine in den Figuren nur ausschnittsweise dargestellte Stellvorrichtung 1 umfasst eine Ausgleichskupplung 2, welche ein erstes rotierendes Maschinenelement 3, nämlich eine Welle, drehfest mit einem zweiten rotierenden Maschinenelement, nämlich einem Innenring 1 1 eines Wellgenerators, unter Ermöglichung eines Achsversatzes sowie einer begrenzten Verkippung zwischen den Maschinenelementen 3, 1 1 koppelt. Insgesamt handelt es sich bei der Stellvorrichtung 1 um einen elektrischen Nockenwel- lenversteller, welcher mit einem Wellgetriebe als Stellgetriebe arbeitet. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Stellvorrichtung 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen. Der Innenring 1 1 ist Teil eines Wellgenerators des Wellgetriebes.
Das erste rotierende Maschinenelement 3 ist identisch mit der als Verstellwelle fungie- renden Motorwelle eines Stellmotors der Stellvorrichtung 1 , das heißt des elektrischen Nockenwellenverstellers. Die Rotationsachse des Maschinenelementes 3 ist, abgesehen von einem eventuell auftretenden, mittels der Ausgleichskupplung 2 auszugleichenden Achsversatzes, identisch mit der Rotationsachse der zu verstellenden Nockenwelle.
Kernkomponente der Ausgleichskupplung 2 ist ein mehrteilig aufgebautes Ausgleichselement 4, welches ein Zentralstück 5 mit zylindrischer Grundform sowie eine hieran angeschlossene Federvorrichtung 6 umfasst.
Die Federvorrichtung 6 ist aufgebaut aus zwei C-förmigen Federarmen 7, 8, welche auch als C-Schenkel bezeichnet werden. Die C-Form des gesamten Ausgleichselementes 4 geht insbesondere aus Fig. 2 hervor.
Im Zentralstück 5 befindet sich eine schlitzförmige Aussparung 10, in welche ein ab- geflachtes Endstück 9 der Welle 3, das heißt ein Zweiflach als integraler Bestandteil der Welle 3 eingreift. Auf diese Weise ist das Ausgleichselement 4 gegenüber der Welle 3 in einer ersten Verschiebeebene verschiebbar. Diese erste Verschiebeebene wird als xz-Ebene (Fig. 3) definiert. Die z-Richtung ist hierbei mit der Axialrichtung des ersten Maschinenelementes 3 identisch. Die C-Schenkel 7, 8 liegen in einer zweiten Verschiebeebene, nämlich yz-Ebene. Vom Zentralstück 5 abgewandte Enden der Federarme 7, 8 sind in z-Richtung, das heißt parallel zur Welle 3, ausgerichtet, und greifen in Aussparungen 12 des Innenrings 1 1 ein. Jede als Führung fungierende Aussparung 12 ist als Langloch gestaltet, wobei beide Aussparungen 12 in der yz-Ebene, das heißt zweiten Verschiebeebene, liegen.
Bei dem Innenring 1 1 , das heißt dem zweiten rotierenden Maschinenelement, handelt es sich um einen Wälzlagerring mit nicht kreisrunder Außenkontur. Auf der mit 13 bezeichneten, nicht kreisrunden, elliptischen Wälzkörperlaufbahn des Innenrings 1 1 rol- len Kugeln 14 als Wälzkörper ab, welche in einem Käfig 15 geführt sind und einen nachgiebigen Außenring 16 kontaktieren. Das Wälzlager 1 1 , 14, 16 stellt damit insgesamt einen Wellgenerator innerhalb der Stellvorrichtung 1 dar.
Der Außenring 16, welcher sich permanent der unrunden Form des Innenrings 1 1 an- passt, verformt in an sich bekannter Weise ein flexibles Getriebeelement innerhalb eines Wellgetriebes, welches als Stellgetriebe der Stellvorrichtung 1 fungiert.
Bezugszeichenliste
Stellvorrichtung
Ausgleichskupplung
Welle, erstes Maschinenelement
Ausgleichselement
Zentralstück
Federvorrichtung
Federarm, C-Schenkel
Federarm, C-Schenkel
abgeflachtes Endstück
Langloch, Aussparung im Zentralstück
Innenring, zweites Maschinenelement
Führung, Aussparung im Innenring
Wälzkörperlaufbahn
Wälzkörper
Käfig
Außenring

Claims

Patentansprüche
1 . Ausgleichskupplung (2) zum Ausgleich eines Achsversatzes zwischen einem ersten rotierenden Maschinenelement (3), nämlich einer Welle, und einem zweiten rotierenden Maschinenelement (1 1 ), mit einem Ausgleichselement (4), welches in einer ersten Verschiebeebene gegenüber dem ersten Maschinenelement (3) und in einer hierzu orthogonalen zweiten Verschiebeebene gegenüber dem zweiten Maschinenelement (1 1 ) verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (4) als im Längsschnitt C-förmiges Element ausgebildet ist, wobei ein Zentralstück (5) des Ausgleichselementes (4) das erste Maschinenelement (3) kontaktiert und zwei vom Zentralstück (5) ausgehende C-Schenkel (7,8) in Führungen (12) im zweiten Maschinenelement (1 1 ) eingreifen.
2. Ausgleichkupplung (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Ausgleichselement (4) als Federelement ausgebildet ist.
3. Ausgleichkupplung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (4) mehrteilig aufgebaut ist.
4. Ausgleichkupplung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden C-Schenkel (7,8) des Ausgleichselementes (4) jeweils als Federdraht ausgebildet sind.
5. Ausgleichkupplung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralstück (5) ein Langloch (10) aufweist, in welchem ein abgeflachtes Endstück (9) des ersten Maschinenelementes (3) geführt ist.
6. Ausgleichkupplung (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Maschinenelement (3) mittels der Langloch-Führung gegenüber dem Ausgleichselement (4) sowohl in der ersten Verschiebeebene verschiebbar als auch in Axialrichtung verlagerbar ist.
7. Ausgleichkupplung (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralstück (5) fest mit dem ersten Maschinenelement verbunden (3) und die Verschiebbarkeit in der ersten Maschinenebene durch die Elastizität des Ausgleichselementes (4) gegeben ist.
8. Ausgleichkupplung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Maschinenelement (1 1 ) als Innenring eines Wellgenerators ausgebildet ist.
9. Verwendung einer Ausgleichkupplung (2) nach Anspruch 1 in einem Stellge- triebe einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine.
10. Verwendung einer Ausgleichkupplung (2) nach Anspruch 1 in einem Stellgetriebe eines elektrischen Nockenwellenverstellers.
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