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Die Erfindung betrifft ein als Stellgetriebe, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, geeignetes Wellgetriebe, welches zumindest abtriebsseitig ein in sich starres innenverzahntes Getriebeelement aufweist, dessen Innenverzahnung mit einer Verzahnung eines flexiblen, außenverzahnten Getriebeelementes kämmt.
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Ein derartiges Wellgetriebe ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 210 360 A1 bekannt. Es handelt sich hierbei um eine Komponente einer Nockenwellenverstellvorrichtung.
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Ein weiterer elektrischer Nockenwellenversteller ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 009 128 A1 bekannt. In diesem Fall sind Antriebs- und Abtriebskomponenten zur Erzielung eines schmalen Aufbaus radial ineinander geschachtelt.
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DE 10 2008 053 915 A1 zeigt einen Nockenwellenversteller mit einem Wellgetriebe, bei dem die formstabilen Übertragungselemente bei der Montage in einen definierten Abstand zueinander gebracht werden. Dazu wird ein Kontakt der formstabilen Übertragungselemente in Kauf genommen, wobei die in Kontakt tretenden Flächen als Gleitflächen wirken. Damit wird eine Aufblockmontage ermöglicht.
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Wellgetriebe arbeiten prinzipbedingt mit einem Bauteil, beispielsweise in Form eines Flexrings, eines Flextopfes, oder einer Kragenhülse, welches während des Betriebs des Wellgetriebes permanenten Verformungen unterworfen ist. Die Beanspruchung dieses Bauteils kann für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer eines Wellgetriebes maßgebend sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickeltes Wellgetriebe anzugeben, welches sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen mechanischer Belastbarkeit, auch unter außergewöhnlichen Betriebsbedingungen, Bauraumbedarf und Fertigungsaufwand auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieses Wellgetriebe umfasst in an sich bekanntem Grundaufbau ein abtriebsseitiges innenverzahntes Getriebeelement, optional auch ein antriebsseitiges innenverzahntes Getriebeelement, wobei die mindestens eine Innenverzahnung dieses Getriebeelementes oder dieser beiden Getriebeelemente mit der Verzahnung eines einzigen nachgiebigen, außenverzahnten Getriebeelement kämmt beziehungsweise kämmen. Beim Betrieb des Wellgetriebes wird das nachgiebige Getriebeelement einschließlich dessen Außenverzahnung durch einen Wellgenerator, welcher radial innerhalb dieses Getriebeelementes, jedenfalls innerhalb dessen Außenverzahnung, angeordnet ist, permanent verformt.
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Erfindungsgemäß ist das abtriebsseitige innenverzahnte Getriebeelement mehrteilig aufgebaut, nämlich in ein Abtriebsinnenteil und ein Abtriebsaußenteil geteilt, wobei die Kopplung zwischen dem Abtriebsinnenteil und dem Abtriebsaußenteil eine Überlastsicherung bildet. Bis zu einer bestimmten Drehmomentgrenze fungieren das Abtriebsinnenteil und das Abtriebsaußenteil somit zusammen als eine einzige Getriebekomponente, nämlich als Abtriebselement des Wellgetriebes. Wird diese Drehmomentgrenze überschritten, so kann sich das Antriebsinnenteil temporär gegenüber dem Abtriebsaußenteil verdrehen. Von diesem Durchrutschen des Abtriebsinnenteils gegenüber dem Abtriebsaußenteil bei einer Drehmomentspitze nimmt weder das in das Abtriebsinnenteil und das Abtriebsaußenteil geteilte abtriebsseitige innenverzahnte Getriebeelement noch eine weitere Komponente des Wellgetriebes Schaden. Insbesondere werden auf diese Weise Drehmomentspitzen vom nachgiebigen, außenverzahnten Getriebeelement ferngehalten.
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In besonders einfacher, kompakter Ausgestaltung ist die Innenverzahnung des abtriebsseitigen Getriebeelementes unmittelbar durch das Abtriebsinnenteil gebildet.
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Die Überlastsicherung gegen Drehmomentüberlastung, welche durch das Abtriebsinnenteil und Abtriebsaußenteil gebildet ist, kann prinzipiell als rastende Überlastkupplung gestaltet sein. Im Fall einer Überlastung des abtriebsseitigen Getriebeelementes wird hierbei eine gegebene Rastposition, in welcher das Abtriebsinnenteil mit dem Abtriebsaußenteil gekoppelt ist, verlassen, bis eine erneute Einrastung in einer geänderten Winkelrelation zwischen Abtriebsinnenteil und Abtriebsaußenteil erfolgt.
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In besonders einfacher Weise ist die Funktion einer Überlastsicherung durch einen Pressverband zwischen dem Abtriebsinnenteil und dem Abtriebsaußenteil realisierbar. Nach dem Durchrutschen zwischen dem Abtriebsinnenteil und dem Abtriebsaußenteil als Folge einer mechanischen Überlastung wird die erneute Drehmomentübertragung zwischen dem Abtriebsinnenteil und dem Abtriebsaußenteil, das heißt der Übergang in den bestimmungsgemäßen Betrieb des Wellgetriebes, dadurch erleichtert, dass durch den Wellgenerator permanent Radialkräfte auf die Anordnung aus dem nachgiebigen, außenverzahnten Getriebeelement und den innenverzahnten Getriebeelementen aufgebracht werden.
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Die in Form des Pressverbandes vorliegende Kontaktfläche zwischen dem Abtriebsinnenteil und dem Abtriebsaußenteil ist vorzugsweise radial außerhalb des nachgiebigen, außenverzahnten Getriebeelementes angeordnet. Die in axialer Richtung des innenverzahnten Getriebeelementes und damit des gesamten Wellgetriebes gemessene Breite der Kontaktfläche zwischen dem Abtriebsinnenteil und dem Abtriebsaußenteil ist vorzugsweise geringer als die in der selben Richtung gemessene Breite des nachgiebigen, außenverzahnten Getriebeelementes.
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Während das in bevorzugter Ausgestaltung unmittelbar mit einer Innenverzahnung versehene Abtriebsinnenteil vorzugsweise eine Ringform aufweist, ist das Abtriebsaußenteil vorzugsweise topfförmig gestaltet.
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Zusätzlich zum abtriebsseitigen innenverzahnten Getriebeelement ist gemäß einer möglichen Ausgestaltung ein antriebsseitiges innenverzahntes Getriebeelement vorgesehen, wobei die Innenverzahnungen dieser beiden Getriebeelemente mit derselben Außenverzahnung des nachgiebigen Getriebeelementes kämmen und dieses flexible Getriebeelement als Flexring ausgebildet ist. Trotz des mehrteiligen Aufbaus des abtriebsseitigen innenverzahnten Getriebeelementes weist dieses in dieser Ausgestaltung vorzugsweise einen geringeren Außendurchmesser als das antriebsseitige innenverzahnte Getriebeelement auf.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das nachgiebige, außenverzahnte Getriebeelement als Kragenhülse ausgebildet und an einem Gehäuse des Wellgetriebes befestigt. An diesem Gehäuse ist vorzugsweise, sofern das Gehäuse als Ganzes als rotierendes Teil gestaltet ist, was auch bei der zuvor erläuterten Ausgestaltung mit Flexring der Fall sein kann, eine Verzahnung vorgesehen, welche einen Antrieb des Gehäuses über einen Ketten- oder Riementrieb oder über einen Rädertrieb ermöglicht.
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Weiterhin sind Ausgestaltungen realisierbar, in denen das nachgiebige, innenverzahnte Getriebeelement eine Topfform aufweist, wobei der Boden des flexiblen, topfförmigen Getriebeelementes nicht notwendigerweise geschlossen ist. Der Boden des topfförmigen Getriebeelementes kann direkt oder indirekt mit einer Abtriebswelle des Wellgetriebes, beispielsweise einer Exzenterwelle verbunden sein.
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Das Wellgetriebe ist sowohl für stationäre Anwendungen, beispielsweise in Werkzeugmaschinen oder in Industrierobotern, als auch für Anwendungen in Fahrzeugen geeignet. Beispielsweise kann es sich bei dem Wellgetriebe um ein Stellgetriebe eines elektrischen Nockenwellenverstellers oder einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors handeln.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise schematisiert:
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1 ein Wellgetriebe in einer Schnittdarstellung,
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2 ein Detail aus 1 einschließlich miteinander kämmender Verzahnungen,
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3 Verzahnungen des Wellgetriebes nach 1 in einer weiteren Schnittdarstellung,
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4 ein weiteres Wellgetriebe in einer Schnittdarstellung analog 1.
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Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechend oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wellgetriebe ist Teil eines elektrischen Nockenwellenverstellers, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird.
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Ein Gehäuse 2 des Wellgetriebes 1 ist als Ganzes um eine mit R bezeichnete Rotationsachse drehbar. Eine am Umfang des Gehäuses 2 befindliche Verzahnung 3 dient dem Antrieb des Gehäuses 2 mit Hilfe eines nicht dargestellten Zugmittels, nämlich eines Zahnriemens oder einer Kette. Das Zugmittel wird von der Kurbelwelle eines Hubkolbenmotors angetrieben. Alternativ ist das Gehäuse 2 beispielsweise über Zahnräder antreibbar.
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Mit dem Bezugszeichen 4 ist ein abtriebsseitiges innenverzahntes Getriebeelement – kurz: Abtriebshohlrad – des Wellgetriebes 1 bezeichnet. Die Innenverzahnung des Abtriebshohlrades 4 kämmt mit einer Außenverzahnung eines flexiblen Getriebeelementes 5, nämlich Flexrings. Zur Verformung des Flexrings 5 während des Betriebs des Wellgetriebes 1 ist ein Wellgenerator 6 vorgesehen.
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Im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 arbeitet der Wellgenerator 6 mit einem Wälzlager 7, nämlich Kugellager. Komponenten des Wälzlagers 7 sind ein Innenring 8, ein Außenring 9, sowie eine Mehrzahl an Wälzkörpern 10, nämlich Kugeln. Während der Innenring 6 eine unrunde, nämlich elliptische, Außenkontur aufweist, und in sich starr ist, ist der Außenring 9 als nachgiebiges Element gestaltet. Der Wellgenerator 6 ist durch einen nicht dargestellten Elektromotor über eine Verstellwelle angetrieben.
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Bei der Rotation des Innenrings 8 passt sich die Form des Außenrings 9 permanent der elliptischen Form des Innenrings 8 an. Das flexible Getriebeelement 5 umgibt unmittelbar den Außenring 9, ohne mit diesem fest verbunden zu sein. Die mit 11 bezeichnete Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes 5 greift hierbei an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen in die mit 13 bezeichnete Innenverzahnung des Abtriebshohlrades 4 ein. Ebenso greift die Außenverzahnung 11 in eine Innenverzahnung 12 eines Antriebshohlrades 14 ein, welches fest mit dem Gehäuse 2 verbunden ist und allgemein als antriebsseitiges innenverzahntes Getriebeelement bezeichnet wird.
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Eine geringfügig voneinander abweichende Zähnezahl der Verzahnungen 11, 12, 13 sorgt dafür, dass sich bei einer vollen Rotation des Innenrings 8 das Abtriebshohlrad 4 geringfügig gegenüber dem Antriebshohlrad 14 und damit auch gegenüber dem Gehäuse 2 verdreht. Hierbei sorgen die Verzahnungen 11 und 12, welche eine identische Zahl an Zähnen aufweisen, dafür, dass sich das flexible Getriebeelement 5 nicht gegenüber dem Gehäuse 2 verdreht. Dementsprechend wird an dieser Stelle von einer Kupplungsstufe des Wellgetriebes 1 gesprochen. Im Unterschied hierzu bilden die Verzahnungen 11 und 13 des flexiblen Getriebeelementes 5 und des Abtriebshohlrades 4 eine Übersetzungsstufe des Wellgetriebes 1, wobei die Zähnezahl der Außenverzahnung 11 um zwei geringer als die Zähnezahl der Innenverzahnung 13 ist. Das Antriebshohlrad 14 ist mit Hilfe von Schrauben 15 sowie eines Deckels 16 am Gehäuse 2 befestigt und ragt in Radialrichtung über das Abtriebshohlrad 4 hinaus.
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In beiden Ausführungsformen ist das Abtriebshohlrad 4 aus einem Abtriebsinnenteil 17 und einem Abtriebsaußenteil 18 zusammengesetzt, wobei die Innenverzahnung 13 des Abtriebshohlrades 4 unmittelbar durch das Abtriebsinnenteil 17 gebildet ist. Während das Abtriebsinnenteil 17 die Form eines Ringes hat, beschreibt das Abtriebsaußenteil 18 eine Topfform. Mit dem Abtriebsaußenteil 18 ist eine Anschlagscheibe 19 verbunden, welche wiederum drehfest mit einer mit 20 bezeichneten Nockenwelle gekoppelt ist. Der Verlauf eines Kraftflusses K von der Verzahnung 3 des Gehäuses 2 bis zur Nockenwelle 20 ist in 1 durch eine Linie veranschaulicht. Hierbei ist gut erkennbar, dass der Kraftfluss K unter anderem durch eine zylindrische Kontaktfläche zwischen dem Abtriebsinnenteil 17 und dem Abtriebsaußenteil 18 verläuft, welche auch beim Ausführungsbeispiel nach 4 gegeben ist. Die Teile 17, 18 des Abtriebshohlrades 4 sind an dieser Kontaktfläche in Form eines Pressverbandes miteinander verbunden. In Axialrichtung der Rotationsachse R gemessen, ist dieser Pressverband zwischen dem Abtriebsinnenteil 17 und dem Abtriebsaußenteil 18 schmaler als das flexible Getriebeelement 5, in der Ausgestaltung nach den 1 bis 3 auch schmaler als dessen Außenverzahnung 11.
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Die in sich starre Form der Innenverzahnung 13 des Abtriebshohlrades 4 wird nicht allein durch das Abtriebsinnenteil 17, sondern vollständig erst durch den Pressverband zwischen dem Abtriebsinnenteil 17 und dem Abtriebsaußenteil 18 erzielt. Solange ein vom flexiblen Getriebeelement 5 auf das Abtriebshohlrad 4 übertragenes Drehmoment einen Grenzwert nicht überschreitet, bleibt der Pressverband zwischen dem Abtriebsinnenteil 17 und dem Abtriebsaußenteil 18 erhalten, so dass das gesamte Abtriebshohlrad 4 als einziges, in sich starres Getriebeteil fungiert. Bei Überschreitung dieses Drehmomentgrenzwertes rutscht das Abtriebsinnenteil 17 gegenüber dem Abtriebsaußenteil 18 durch, womit eine Überlastsicherung des Wellgetriebes 1 gegeben ist. In jeder beliebigen Winkelposition kann der drehmomentübertragende Verbund zwischen dem Abtriebsinnenteil 17 und dem Abtriebsaußenteil 18 wieder hergestellt werden, wobei die erneute Bildung dieses drehmomentübertragenden Verbunds durch die Radialkräfte, welche vom Wellgenerator 6 auf das Abtriebshohlrad 4 übertragen werden, mitbewirkt wird. Auf diese Weise ist ein mehrfaches Ansprechen der Überlastsicherung möglich, ohne die Drehmomentgrenze, ab welcher die zwischen dem Abtriebsinnenteil 17 und dem Abtriebsaußenteil 18 gebildete Überlastsicherung anspricht, in bedeutsamer Weise zu verändern.
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Im Ausführungsbeispiel nach 4 ist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 kein innenverzahntes Antriebshohlrad vorhanden. Stattdessen ist das flexible, außenverzahnte Getriebeelement 5 als Kragenhülse ausgebildet, welche am Gehäuse 2 befestigt ist. Hierbei ist ein an den außenverzahnten, zylindrischen Abschnitt des nachgiebigen Getriebeelementes 5 anschließender, radial nach außen gerichteter Flansch 23 mittels der Schrauben 15 am Gehäuse 2 befestigt. Weiter ist in 4 ein Deckel 22 erkennbar, welcher das Wellgetriebe 1 stirnseitig, nämlich auf derjenigen Stirnseite, an der das Getriebeelement 5 am Gehäuse 2 angeschraubt ist, abschließt.
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Ein weiterer Unterschied zwischen den verschiedenen Ausführungsformen liegt darin, dass gemäß 4 der Wellgenerator statt eines Wälzlagers ein Gleitlager 21 aufweist. Hierbei kontaktiert ein Innenring 8 direkt das nachgiebige Getriebeelement 5, so dass der Gleitkontakt unmittelbar zwischen dem Innenring 8 und dem nachgiebigen Getriebeelement 5 gebildet ist. Wie im Ausführungsbeispiel nach 1 ist auch beim Ausführungsbeispiel nach 4 der Innenring 8 elliptisch geformt.
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Verschiedene Formen des nachgiebigen Getriebeelementes 5 sind mit unterschiedlichen Gestaltungen des Wellgenerators 6 kombinierbar: So ist bei der Ausgestaltung gemäß 4 das Gleitlager 21 durch ein Wälzlager 7, wie es in der Bauform nach 1 vorhanden ist, ersetzbar. Ebenso ist bei der Ausgestaltung nach 1 das Wälzlager 7 durch ein Gleitlager 21, wie es beim Wellgetriebe 1 gemäß 4 vorhanden ist, ersetzbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Verzahnung
- 4
- Abtriebshohlrad, abtriebsseitiges innenverzahntes Getriebeelement
- 5
- flexibles Getriebeelement
- 6
- Wellgenerator
- 7
- Wälzlager
- 8
- Innenring
- 9
- Außenring
- 10
- Wälzkörper, Kugel
- 11
- Außenverzahnung
- 12
- Innenverzahnung des Antriebshohlrades
- 13
- Innenverzahnung des Abtriebshohlrades
- 14
- Antriebshohlrad, antriebsseitiges innenverzahntes Getriebeelement
- 15
- Schraube
- 16
- Deckel
- 17
- Abtriebsinnenteil
- 18
- Abtriebsaußenteil
- 19
- Anschlagscheibe
- 20
- Nockenwelle
- 21
- Gleitlager
- 22
- Deckel
- 23
- Flansch
- K
- Kraftfluss
- R
- Rotationsachse
