DE102011004071A1

DE102011004071A1 - 3-Wellen-Verstellgetriebe mit integrierter Überlastkupplung

Info

Publication number: DE102011004071A1
Application number: DE102011004071A
Authority: DE
Inventors: Jens Schäfer; Mike Kohrs; Jeffrey S. Balko
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-08-16
Also published as: EP2676012A1; EP2676012B1; US20130312682A1; WO2012110131A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein 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. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Stellglied und dem Antriebsteil oder dem Abtriebsteil eine in das Stellglied integrierte Überlastkupplung vorgesehen.

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 der WO 2005/080757 bekannten Wellgetriebe und die in der US 2007/0051332 A1 und US 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 und DE 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:
1: eine Prinzipskizze des Oversnapping als Prinzip einer Überlastkupplung;
2: eine erfindungsgemäße Überlastkupplung an einem Wellgenerator als Stellglied eines 3-Wellen-Verstellgetriebes in einer ersten Ausführungsform;
3: eine erfindungsgemäße Überlastkupplung an einem Wellgenerator als Stellglied eines 3-Wellen-Verstellgetriebes in einer zweiten Ausführungsform;
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.
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 (siehe 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 3 ist eine erfindungsgemäße Überlastkupplung an einem Wellgenerator als Stellglied eines 3-Wellen-Verstellgetriebes in einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Im Unterschied zu der in 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.
Bezugszeichenliste

01: Hohlrad
02: Innenverzahnung
03: Stirnrad
04: Außenverzahnung
05
06: Innenring
07: Außenring
08: Wälzkörper
09: Außenverzahnung
10
11: elastische Schicht
12: gewellte Blechhülse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006/018080 [0003]
WO 2005/080757 [0003]
US 2007/0051332 A1 [0003]
US 2003/0226534 A1 [0003]
DE 102004009128 A1 [0004]
DE 102005059884 A1 [0004]
DE 102004038681 A1 [0004]
DE 10248351 A1 [0005]

Claims

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.