DE102017110678B3

DE102017110678B3 - Wellgetriebe

Info

Publication number: DE102017110678B3
Application number: DE102017110678.2A
Authority: DE
Inventors: Daniel Heise
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2037-05-18

Abstract

Ein zur Verwendung in einem elektrischen Nockenwellenversteller geeignetes Wellgetriebe umfasst einen Wellgenerator (2,3,4,5,6) mit einem Wälzlager (2,4,5,6), insbesondere einem Kugellager. Ein erster Lagerring (2), nämlich Innenring, des Wälzlagers (2,4,5,6) weist eine nicht kreisrunde Außenkontur auf, während ein zweiter Lagerring (6), nämlich Außenring, des Wälzlagers (2,4,5,6) nachgiebig ist. Zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (6) abrollende Wälzkörper (4) sind in einem Käfig (5) geführt. Der Außenring (6) ist zur Verformung eines elastischen, verzahnten Getriebeelementes (8), insbesondere in Form einer Kragenhülse, vorgesehen. Der Käfig (5) ist als in Axialrichtung zwischen relativ zueinander rotierbaren, zumindest teilweise dem Wellgenerator (2,3,4,5,6) zuzurechnenden Teilen wirksames Sicherungselement ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein als Stellgetriebe, beispielsweise eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers, verwendbares Wellgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Wellgetriebe ist zum Beispiel aus der DE 10 2015 223 419 A1 bekannt. Dieses Wellgetriebe weist einen Wellgenerator auf, welcher ein Kugellager mit einem in sich starren, nicht kreisrunden Innenring und einem flexiblen Außenring umfasst. Der Außenring ist innerhalb eines flexiblen, außenverzahnten Getriebeelementes angeordnet und weist in der Bauform nach der DE 10 2015 223 419 A1 eine außenseitige Materialschwächung in Form einer umlaufenden Nut auf. Die umlaufende Nut befindet sich in demjenigen Bereich des Außenrings, welcher innenseitig durch die Kugeln des Wälzlagers des Wellgenerators kontaktiert wird. Die Kugeln sind in einem Wälzlagerkäfig geführt.
Weitere Bauformen von Wellgetrieben, welche für die Verwendung in Nockenwellenverstellern geeignet sind, sind zum Beispiel in den Dokumenten WO 2012/110132 A1 , DE 10 2014 202 060 A1 , sowie EP 2 676 010 B1 offenbart. Die Wellgetriebe weisen in allen Fällen einen mit einem Kugellager arbeitenden Wellgenerator auf, wobei es sich im Fall der WO 2012/110132 A1 um ein zweireihiges Kugellager handelt.
Ein Wellgetriebe arbeitet prinzipbedingt mit einem nachgiebigen Getriebeelement, wobei ein dieses Getriebeelement verformender Wellgenerator entweder eine Wälzlagerung oder eine Gleitlagerung aufweisen kann. Typischerweise handelt es sich bei einem Innenring des Wellgenerators um ein Bauteil mit nicht kreisrunder, elliptischer Außenkontur.
Mit Hilfe gesonderter Komponenten, beispielsweise Deckel, können einzelne Bauteile eines Wellgetriebes in Axialrichtung gegeneinander abgestützt sein. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die DE 10 2011 004 075 A1 verwiesen.
Ein gattungsgemäßes Wellgetriebe ist in WO 2016/110978 A1 offenbart. Weitere Wellgetriebe gehen aus DE 11 2013 002 132 T5 , US 5 183 443 A und JP 2014-81 017 A hervor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickeltes Wellgetriebe anzugeben, welches sich durch einen kompakten, montagefreundlichen Aufbau und eine hohe Betriebssicherheit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ein Wellgenerator des Wellgetriebes arbeitet in an sich bekannter Grundkonzeption mit einem Wälzlager, welches zwei unterschiedliche Lagerringe, nämlich einen Innenring mit nicht kreisrunder Außenkontur sowie einen nachgiebigen Außenring, aufweist. Zwischen dem Innenring und dem Außenring des Wälzlagers abrollende Wälzkörper sind in einem Käfig geführt. Der Außenring des Wälzlagers dient der Verformung eines elastischen, verzahnten Getriebeelementes des Wellgetriebes. Erfindungsgemäß ist der Käfig des Wälzlagers als Sicherungselement ausgebildet, welches in Axialrichtung des Wälzlagers zwischen relativ zueinander rotierbaren Teilen des Wellgetriebes wirksam ist.
Durch die Integration der axialen Sicherungsfunktion in den Wälzlagerkäfig des Wellgenerators ist im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen zum einen die Montage des Wellgetriebes vereinfacht und zum anderen auf einfache Weise eine vergleichbare oder höhere mechanische Präzision erreichbar, wobei der zusätzlich als axiales Sicherungselement fungierende Käfig ohne nennenswerten zusätzlichen Bauraumbedarf oder im Vergleich zu mehrteiligen Lösungen sogar mit verringertem Bauraumbedarf in das Wellgetriebe integrierbar ist.
Der Käfig des Wälzlagers des Wellgenerators ragt in mindestens einer Radialrichtung über einen der Lagerringe des Wälzlagers hinaus. Der Käfig weist einen radial nach außen gerichteten Flansch auf, welcher als Axialkragen bezeichnet wird und über den Außenring in Radialrichtung hinausragt, wobei durch den Axialkragen eine Stirnfläche bereitgestellt ist, an welcher das elastische Getriebeelement des Wellgetriebes in Axialrichtung anschlagen kann. Je nach Gesamtkonstruktion des Wellgetriebes wird damit eine axiale Verlagerung des elastischen, verzahnten Getriebeelementes, ein Anschlagen dieses Getriebeelementes an einer Stirnfläche eines Abtriebselementes des Wellgetriebes und/oder ein Herauswandern einzelner oder aller Komponenten des Wälzlagers in der entgegengesetzten Axialrichtung aus dem Wellgetriebe unterbunden.
Weiterhin weist der Käfig des Wälzlagers radial nach innen gerichtete Schnappnasen auf, durch welche jeweils eine zur Zusammenwirkung mit dem Innenring des Wellgenerators vorgesehene Axialfläche gebildet ist, welche als Anschlagfläche in axialer Richtung fungiert. Jede Schnappnase ist vorzugsweise über eine nachgiebige Biegelasche einstückig mit dem übrigen Käfig verbunden.
In allen geometrischen Ausgestaltungen handelt es sich bei dem Käfig vorzugsweise um einen Kunststoffkäfig. Als Werkstoff zur Herstellung des Käfigs ist beispielsweise Polytetraflourethylen (PTFE) geeignet.
Als Wälzlager des Wellgenerators kommt in bevorzugten Bauformen ein Kugellager, insbesondere Rillenkugellager, zum Einsatz. Ebenso kann das Kugellager des Wellgenerators beispielsweise als Vierpunktlager gestaltet sein. Durch ein Rillenkugellager und - in verstärktem Maße - ein Vierpunktlager sind zusätzlich zu Radialkräften auch Axialkräfte innerhalb des Wellgetriebes übertragbar. Statt eines Kugellagers ist auch ein einreihiges oder mehrreihiges Rollen- oder Nadellager als Wälzlager des Wellgenerators geeignet.
Das elastische Getriebeelement des Wellgetriebes ist beispielsweise als im Wesentlichen zylindrisches Element mit nach außen gerichtetem Flansch, das heißt als Kragenhülse, gestaltet. Ebenso kann das elastische Getriebeelement als im mechanisch unbelasteten Zustand zylindrisches Element ohne Flansch gestaltet sein, das heißt einen einfachen Flexring darstellen. Des Weiteren sind Bauformen des Wellgetriebes realisierbar, bei welchen das elastische Getriebeelement eine Topfform beschreibt.
Das Wellgetriebe ist besonders geeignet für die Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller. Alternativ ist die Verwendung des Wellgetriebes in einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine möglich. Ebenso ist das Wellgetriebe für stationäre Anwendungen, beispielsweise in Industrierobotern oder in der Gebäudeautomatisierung, geeignet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 ausschnittsweise ein Wellgetriebe in einer Schnittdarstellung,
2 ein Detail des Wellgetriebes in einer weiteren Schnittdarstellung.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wellgetriebe ist Teil eines elektrischen Nockenwellenverstellers, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf dem eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird.
Das Wellgetriebe 1 ist durch einen nicht dargestellten Elektromotor betätigbar und weist einen Wellgenerator mit einem Wälzlager auf, welches einen Innenring 2, einen Außenring 6 und zwischen den Lagerringen 2, 6 abrollende Wälzkörper 4, nämlich Kugeln, umfasst. Die Kugeln 4 sind in einem aus Kunststoff gefertigten Käfig 5 geführt, auf welchen im Folgenden noch näher eingegangen wird. Bei dem Käfig 5 handelt es sich um einen wälzkörpergeführten Käfig.
In der vereinfachten Darstellung nach 1 ist der Innenring 2 einstückig mit einer Verstellwelle 3 verbunden, welche direkt oder über ein nicht dargestelltes vorgeschaltetes Getriebe mit dem genannten Elektromotor gekoppelt sein kann. Statt eines Getriebes oder zusätzlich zu einem Getriebe kann eine Ausgleichskupplung, insbesondere in Form einer Oldham-Kupplung, zwischen den Elektromotor und den Innenring 2 geschaltet sein.
Der Innenring 2 weist, wie bei Wellgeneratoren gängig, eine nicht kreisrunde, elliptische Außenkontur auf und ist in sich starr. Im Gegensatz hierzu ist der Außenring 6 nachgiebig, so dass er sich permanent der unrunden Form des Innenrings 2 anpasst. Der Außenring 6 ist unmittelbar umgeben von einem flexiblen Getriebeelement 8, welches als Kragenhülse gestaltet ist. Der nach außen gerichtete Flansch, das heißt Kragen, der Kragenhülse 8 ist mit Hilfe von Schrauben 9 unter Zwischenschaltung einer Axiallagerscheibe 11 an einem Gehäuse 10 des Wellgetriebes 1 befestigt. Das Gehäuse 10 ist als Ganzes rotierbar, wobei es in prinzipiell bekannter Weise über die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetrieben wird und mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert.
Der an den Kragen des flexiblen Getriebeelements 8 anschließende, im mechanisch unbelasteten Zustand zylindrische Abschnitt der Kragenhülse 8 ist mit einer Außenverzahnung 18 versehen, welche zur Zusammenwirkung mit einer Innenverzahnung 19 vorgesehen ist, die durch ein Hohlrad 7 gebildet ist. Das Hohlrad 7 fungiert als Abtriebselement des Wellgetriebes 1 und ist drehfest mit einer nicht dargestellten Nockenwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt. Die Rotationsachse der Nockenwelle ist mit der Mittelachse des gesamten Wellgetriebes 1 identisch. In Axialrichtung ist das Abtriebselement 7 zwischen der Axiallagerscheibe 11 und einer Wandung des Gehäuses 10 positioniert.
Durch die unrunde Form des Innenrings 2 wird die Außenverzahnung 18 des flexiblen Getriebeelementes 8 lediglich an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen in Eingriff mit der Innenverzahnung 19 des Abtriebselementes 7 gebracht. Eine geringfügig, nämlich um die Zahl zwei, unterschiedliche Zähneanzahl der Innenverzahnung 19 einerseits und der Außenverzahnung 18 andererseits sorgt in prinzipiell bekannter Weise dafür, dass eine volle Umdrehung des Innenrings 2 in Relation zum Gehäuse 10 lediglich in eine relativ kleine Verdrehung zwischen dem Abtriebselement 7 und dem Gehäuse 10 umgesetzt wird. Das Wellgetriebe 1 fungiert damit als hochuntersetztes Stellgetriebe. Solange die Verstellwelle 3 mit derselben Drehzahl wie das Gehäuse 10 rotiert, bleibt die Phasenlage der Nockenwelle in Relation zur Kurbelwelle des Verbrennungsmotors unverändert.
Wie aus 1 hervorgeht, weist das Wellgetriebe 1 kein gesondertes Sicherungselement, etwa in Form eines der Kragenhülse 8 vorgesetzten Deckels, auf, um den die Lagerringe 2, 6 umfassenden Wellgenerator in Axialrichtung innerhalb des Wellgetriebes 1 zu sichern. Diese axiale Sicherungsfunktion wird vielmehr unmittelbar durch den Käfig 5 übernommen. Der Käfig 5 weist zu diesem Zweck einen Axialkragen 12 sowie Schnappnasen 14 als Sicherungselemente auf. Der Axialkragen 12 befindet sich auf der freien, das heißt nicht am Gehäuse 10 befestigten, Stirnseite 13 der Kragenhülse 8. Hierbei ist der Axialkragen 12 - in Axialrichtung des Wellgetriebes 1 betrachtet - zwischen Stirnseite 13 und einer mit 17 bezeichneten Bodenfläche des Abtriebselementes 7 derart positioniert, dass sowohl zum flexiblen Getriebeelement 8 hin als auch zum Abtriebselement 7 hin ein Spiel in Axialrichtung gegeben ist. Eine der Kragenhülse 8 zugewandte Stirnfläche des Axialkragens 12 ist mit 21 bezeichnet.
Die Bodenfläche 17 ist durch einen scheibenförmigen Abschnitt des Abtriebselementes 7 gegeben, an welchen sich ein zylindrischer Abschnitt des insgesamt topfförmigen Abtriebselementes 7 anschließt.
Auf der dem Axialkragen 12 abgewandten Stirnseite der Lagerringe 2,6 befinden sich die Schnappnasen 14, welche jeweils über eine Biegelasche 16 einstückig mit dem übrigen Käfig 5 verbunden sind. Die Schnappnasen 14 schlagen mit Axialflächen 22 an einer Axialfläche 15 des Innenrings 2 an, wobei auch in diesem Fall, analog zum Axialkragen 12, ein Spiel in Axialrichtung gegeben ist. Beim Zusammenbau des Wellgetriebes 1 können die Schnappnasen 14 radial nach außen verdrängt werden, wobei zu diesem Zweck in den Figuren nicht erkennbare Einführschrägen an den Schnappnasen 14 vorgesehen sein können. Im zusammengebauten Zustand des Wellgetriebes 1 begünstigt die offene Gestaltung des durch die Lagerringe 2, 6, die Wälzkörper 4 und den Käfig 5 gebildeten Wälzlagers die Schmiermittelverteilung innerhalb des Wellgetriebes 1.
Bezugszeichenliste

1: Wellgetriebe
2: Innenring
3: Verstellwelle
4: Wälzkörper, Kugel
5: Käfig
6: Außenring
7: Hohlrad, Abtriebselement
8: flexibles Getriebeelement, Kragenhülse
9: Schraube
10: Gehäuse, Antriebselement
11: Axiallagerscheibe
12: Axialkragen
13: Stirnfläche
14: Schnappnase
15: Axialfläche
16: Biegelasche
17: Bodenfläche
18: Außenverzahnung
19: Innenverzahnung
20: Axiallagerfläche
21: Stirnfläche
22: Axialfläche

Claims

Wellgetriebe, mit einem ein Wälzlager (2,4,5,6) aufweisenden Wellgenerator (2,3,4,5,6), wobei ein erster Lagerring (2), nämlich Innenring, des Wälzlagers (2,4,5,6) eine nicht kreisrunde Außenkontur aufweist, ein zweiter Lagerring (6), nämlich Außenring, des Wälzlagers (2,4,5,6) nachgiebig ist und zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (6) abrollende Wälzkörper (4) in einem Käfig (5) geführt sind, und wobei der Außenring (6) zur Verformung eines elastischen, verzahnten Getriebeelementes (8) vorgesehen ist, wobei der Käfig (5) als in Axialrichtung zwischen relativ zueinander rotierbaren, zumindest teilweise dem Wellgenerator (2,3,4,5,6) zuzurechnenden Teilen wirksames Sicherungselement ausgebildet ist, in mindestens einer Radialrichtung über einen Lagerring (2,6) hinausragt und radial nach außen in Form eines Axialkragens (12) über den Außenring (6) hinausragt, wobei der Axialkragen (12) eine Stirnfläche (13) zur axialen Sicherung zwischen dem elastischen Getriebeelement (8) und dem Wellgenerator (2,3,4,5,6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) mindestens eine radial nach innen gerichtete Schnappnase (14) aufweist, durch welche eine zur Zusammenwirkung mit dem Innenring (2) vorgesehene Axialfläche (22) gebildet ist.
Wellgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnappnase (14) über eine nachgiebige Biegelasche (16) einstückig mit dem übrigen Käfig (5) verbunden ist.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) als Kunststoffkäfig ausgebildet ist.
Wellgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) Polytetrafluorethylen umfasst.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (2,4,5,6) als Kugellager ausgebildet ist.
Wellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Getriebeelement (8) als Kragenhülse ausgebildet ist.
Verwendung eines Wellgetriebes nach Anspruch 1 als Stellgetriebe eines Verbrennungsmotors, insbesondere in einem elektrischen Nockenwellenversteller oder in einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors.