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Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe mit einem flexiblen, als Kragenhülse ausgebildeten Getriebeelement, wobei der Kragenhülse ein ebenfalls kragenförmiger, das heißt hutförmiger, Frontdeckel vorgesetzt ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wellgetriebes.
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Ein Wellgetriebe der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der
WO 2017/206988 A1 bekannt. Bei diesem Wellgetriebe handelt es sich um ein Stellgetriebe, welches insbesondere in einem elektrischen Nockenwellenversteller verwendbar ist. Das Stellgetriebe ist mittels eines Elektromotors betätigbar und weist eine Verdrehwinkelbegrenzung auf, die auf der Seite des Frontdeckels, das heißt auf derjenigen Stirnseite des im Wesentlichen zylindrischen Getriebegehäuses, welches dem Elektromotor zugewandt ist, angeordnet ist.
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Ein Wellgetriebe weist prinzipbedingt mindestens ein nachgiebiges, typischerweise außenverzahntes Getriebeelement auf. Das nachgiebige Getriebeelement ist drehfest mit einem in sich starren Getriebeelement zu koppeln, wobei das letztgenannte Getriebeelement entweder als drehbares Teil oder als nicht drehbares Teil in eine Umgebungskonstruktion eingebaut sein kann. Die drehfeste Kopplung zwischen dem nachgiebigen Getriebeelement und dem starren Getriebeelement kann beispielsweise durch Verzahnungen dieser Getriebeelemente oder durch eine Verschraubung gegeben sein.
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Auch eine eingeschränkt flexible Kopplung eines in sich starren Getriebeelementes mit einem nachgiebigen, als Kragenhülse gestalteten Getriebeelement ist grundsätzlich bekannt. Derartige Lösungen sind in den Dokumenten
WO 2017/041802 A1 und
WO 2017/041800 A1 beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickeltes, insbesondere für einen elektrischen Nockenwellenversteller geeignetes Wellgetriebe anzugeben, welches sich durch rationelle Fertigungsmöglichkeiten, eine platzsparende Gestaltung, sowie ein präzise vorhersehbares Betriebsverhalten, auch unter Bedingungen der Serienfertigung, auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wellgetriebes gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Wellgetriebe, und umgekehrt.
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Das Wellgetriebe umfasst in prinzipiell bekannter Grundkonzeption ein flexibles, als Kragenhülse ausgebildetes Getriebeelement, wobei der Kragen dieses Getriebeelementes an einem in sich starren Getriebegehäuse befestigt ist. Der Kragenhülse ist ein hutförmiger Frontdeckel vorgesetzt ist, welcher einen Flanschabschnitt aufweist, der parallel zum Kragen angeordnet ist. Der Begriff „Flanschabschnitt“ ist hierbei zur sprachlichen Unterscheidung von „Kragen“ gewählt.
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Erfindungsgemäß sind an den Flanschabschnitt mehrere Durchzüge angeformt, die jeweils eine Öffnung im Kragen des flexiblen Getriebeelementes durchdringen und formschlüssig im Getriebegehäuse befestigt sind. Damit ist zusammen mit dem Frontdeckel auch die Kragenhülse dauerhaft am Getriebegehäuse befestigt. Ein Lösen dieser durch Umformung hergestellten Verbindung zwischen Frontdeckel, Kragenhülse und Getriebegehäuse ist nicht vorgesehen.
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Im einfachsten Fall haben die Durchzüge jeweils eine zylindrische Form. Ein unbeabsichtigtes Herausziehen aus dem Getriebegehäuse, etwa während der Montage, kann hierbei durch Kraftschluss vermieden werden. Vorzugsweise sind die Durchzüge mit Hinterschnitt, beispielweise in gestufter Art, und damit mit Formschluss auch in axialer Richtung gestaltet. In besonders bevorzugter Weise beschreibt jeder Durchzug eine sich trichterförmig aufweitende Form. Unter einer trichterförmigen Aufweitung wird nicht nur eine konische Aufweitung, sondern auch eine Aufweitung mit einer gekrümmten Kontur verstanden.
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Durch die einzelnen Durchzüge sind flächige Anlagebereiche des Frontdeckels am ein- oder mehrteiligen Getriebegehäuse gegeben. Gleichzeitig ist damit die Kragenhülse ohne gesonderte Befestigungselemente an einer Komponente des Getriebegehäuses gehalten, wobei diese Befestigung vorzugsweise spielfrei gestaltet ist. Die Spielfreiheit bezieht sich dabei auf jegliche Belastungsrichtungen, das heißt Belastungen in Axialrichtung, Radialrichtung, sowie tangentialer Richtung.
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Durch die formschlüssige Befestigung des Frontdeckels zusammen mit dem Kragen des elastischen Getriebeelementes am Getriebegehäuse kann in gut reproduzierbarer Weise sichergestellt werden, dass die Kragenhülse, soweit sie mechanisch nicht belastet ist, einen exakt kreisförmigen Querschnitt aufweist. Mit einem solchen, idealen Querschnitt der Kragenhülse werden Ungleichförmigkeiten beim Betrieb des Wellgetriebes, welche sich in Form von Vorzugsstellungen zeigen könnten, zuverlässig vermieden. Vorzugsstellungen, was die Winkelrelation zwischen einem mit einer Motorwelle eines Elektromotors drehfest gekoppelten Antriebselement und dem Getriebegehäuse betrifft, könnten sich negativ auf die Regelbarkeit und den Energiebedarf des Wellgetriebes auswirken.
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In vorteilhafter Ausgestaltung weist der Flanschabschnitt des Frontdeckels einen inneren ringscheibenförmigen Abschnitt und einen hieran anschließenden, am Kragen des elastischen Getriebeelementes anliegenden äußeren ringscheibenförmigen Abschnitt auf, wobei sich die Durchzüge am äußeren ringscheibenförmigen Abschnitt befinden und der innere ringscheibenförmige Abschnitt vom Kragen unter Bildung eines Ringspaltes beabstandet ist. Ein weiterer Ringspalt, der unter anderem durch den Kragen begrenzt ist, ist vorzugsweise zwischen dem Kragen und dem Getriebegehäuse, insbesondere einer dem Getriebegehäuse zuzurechnenden Axiallagerscheibe, welche der axialen Lagerung eines als Hohlrad gestalteten Abtriebselementes des Wellgetriebes dient, gebildet. Zwischen den beiden Ringspalten ist eine Verformbarkeit des Kragens gegeben. Der radial weiter außen liegende, ebenfalls ringscheibenförmige Bereich des Kragens ist dagegen mit Hilfe des äußeren ringscheibenförmigen Abschnitts des Frontdeckels in unveränderbarer Form gehalten. In diesem außen liegenden Bereich ist die Axiallagerscheibe beispielsweise mit Schrauben mit einem weiteren Gehäuseelement verbunden, wobei jede Schraube durch den Flanschabschnitt, den Kragen und die Axiallagerscheibe durchgesteckt ist. Bei dem genannten weiteren Gehäuseelement handelt es sich zum Beispiel um ein Antriebselement, welches einstückig mit einem Kettenrad oder Riemenrad verbunden sein kann.
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Das Wellgetriebe ist gemäß Anspruch 9 folgendermaßen herstellbar:
- - Ein Gehäuseelement, in welchem ein innenverzahntes, insbesondere topfförmiges Abtriebselement drehbar gelagert ist, ein flexibles Getriebeelement in Form einer außenverzahnten Kragenhülse, ein hutförmiger Frontdeckel und eine Axiallagerscheibe werden bereitgestellt,
- - der Frontdeckel, die Kragenhülse und die im Vergleich zur Kragenhülse sowie zum Frontdeckel dickwandigere Axiallagerscheibe werden spielfrei miteinander verbunden indem Durchzüge, welche von einem Flanschabschnitt, das heißt Kragen, des Frontdeckels ausgehen, geformt und in sich konisch aufweitenden Öffnungen der Axiallagerscheibe formschlüssig fixiert werden,
- - die Baugruppe aus Frontdeckel, Kragenhülse und Axiallagerscheibe wird am Gehäuseelement befestigt, insbesondere festgeschraubt.
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Somit sind bereits vor dem Zusammenbau des Wellgetriebes der Kragen des Getriebeelementes sowie der Flanschabschnitt des Frontdeckels dauerhaft mit der Axiallagerscheibe verbunden. Zwischen den drei Elementen Frontdeckel, Kragenhülse und Axiallagerscheibe ist eine nicht zerstörungsfrei lösbare Verbindung hergestellt. Eine Verformung des Kragens beim Zusammenbau des Wellgetriebes ist prinzipbedingt ausgeschlossen. Dies gilt auch in Fällen, in denen bereits vor der Befestigung der aus Kragenhülse und Axiallagerscheibe gebildeten Baueinheit am Getriebegehäuse ein Wellgenerator in das Getriebegehäuse eingesetzt wird. Die Axiallagerscheibe weist in bevorzugter Ausgestaltung eine Wandstärke auf, welche mindestens das Dreifache und maximal das Zwanzigfache der Wandstärke des Flanschabschnitts beträgt.
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Gemäß einer möglichen Weiterbildung fungiert der Frontdeckel als in Axialrichtung wirksame Sicherung gegenüber einem flexiblen Außenring des zur Verformung der Kragenhülse vorgesehenen Wellgenerators. Bei dem Frontdeckel handelt es sich vorzugsweise um ein Blechteil, welches - ebenso wie die Kragenhülse - eine Hutform beschreibt, das heißt die Form einer Hülse mit kreisrundem Querschnitt, an die ein radial nach außen gerichteter ringscheibenförmiger Abschnitt angeformt ist.
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Das Wellgetriebe ist insbesondere zur Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller geeignet. Auch eine Verwendung des Wellgetriebes in einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors ist möglich. Ebenso ist das Wellgetriebe in industriellen Anlagen, beispielsweise in einem Roboter oder in einer Werkzeugmaschine, einsetzbar.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ausschnittsweise ein Wellgetriebe in einer Schnittdarstellung,
- 2 einen Frontdeckel des Wellgetriebes in perspektivischer Ansicht,
- 3 ein Detail der Anordnung nach 1.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wellgetriebe ist Teil eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers eines Verbrennungsmotors. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Wellgetriebes 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Das Wellgetriebe 1 weist ein Antriebselement 2 auf, welches als Teil eines drehbaren Getriebegehäuses 7 gestaltet und im Ausführungsbeispiel einstückig mit einem Kettenrad 3 ausgebildet ist. Das Kettenrad 3 wird in an sich bekannter Weise über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben, wobei es mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert.
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Ein Abtriebselement 4 des Wellgetriebes 1 ist als Hohlrad gestaltet und fest mit einer nur ansatzweise dargestellten Nockenwelle 26, das heißt einer Einlass- oder Auslassnockenwelle, des Verbrennungsmotors verbunden. Hierbei greift ein Zapfen 5 des Abtriebselementes 4 in die Nockenwelle 26 ein. Der Verdrehwinkel zwischen der Nockenwelle 26 und dem Abtriebselement 4 einerseits und dem Getriebegehäuse 7 andererseits ist mittels einer Anschlagscheibe 24, welche fest mit dem Abtriebselement 4 verbunden ist, begrenzt.
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Verbindungsmittel zwischen dem Abtriebselement 4 und der Nockenwelle 26, insbesondere in Form einer Zentralschraube, sind in 1 nicht dargestellt. In Axialrichtung ist das Abtriebselement 4 in einer ersten Richtung unmittelbar durch das Antriebselement 2 und in der Gegenrichtung durch eine Axiallagerscheibe 6, welche ebenfalls Gehäuse 7, das heißt Getriebegehäuse, zuzurechnen ist, gesichert.
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Das Gehäuseelement 2 ist drehfest mit einem flexiblen Getriebeelement 8 gekoppelt, welches als Kragenhülse ausgebildet ist. Der Flansch, das heißt Kragen, des flexiblen Getriebeelementes 8 ist mit 9 bezeichnet. Der Kragen 9 geht an seinem inneren Rand in einen zylindrischen Abschnitt 10 über, welcher mit einer Außenverzahnung 11 versehen ist. Die Außenverzahnung 11 greift in an sich bekannter Weise partiell in eine Innenverzahnung 12 ein, welche unmittelbar durch das Abtriebselement 4 gebildet ist.
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Zur Verformung des flexiblen Getriebeelementes 8 beim Betrieb des Wellgetriebes 1 ist ein Wellgenerator 13 vorgesehen. Der Wellgenerator 13 umfasst ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager 14. Auf einem Innenring 15 des Wälzlagers 14 rollen Kugeln als Wälzkörper 16 ab, welche in einem Käfig 17 geführt sind. Der Innenring 15 weist eine nicht kreisrunde, elliptische Form auf. Der Antrieb des Innenrings 15 erfolgt über eine Ausgleichkupplung in Form einer Oldham-Kupplung 23. Über die Oldham-Kupplung 23 ist der Innenring 15 drehfest mit einer Motorwelle eines nicht dargestellten Elektromotors gekoppelt.
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Als weiteren Lagerring zusätzlich zum Innenring 15 weist das Wälzlager 14 einen Außenring 18 auf. Im Unterschied zum Innenring 15 handelt es sich beim Außenring 18 um ein nachgiebiges Bauteil. Durch die Wälzkörper 16 wird der Außenring 18 permanent in eine unrunde Form entsprechend der Form des Innenrings 15 gezwungen. Der mit der Außenverzahnung 11 versehene Bereich des zylindrischen Abschnitts 10 umgibt unmittelbar den Außenring 18, ohne mit diesem fest verbunden zu sein. In grundsätzlich bekannter Weise werden die Verzahnungen 11, 12 lediglich an zwei Stellen, nämlich im Bereich der Großachse des Innenrings 15, in Eingriff miteinander gebracht. Eine geringfügig unterschiedliche Zahl der Zähne der Außenverzahnung 11 einerseits und der Innenverzahnung 12 andererseits sorgt in an sich bekannter Weise dafür, dass eine volle Umdrehung des Innenrings 15, bezogen auf die Winkellage des Getriebegehäuses 7, in eine vergleichsweise geringe Verschwenkung zwischen dem Getriebegehäuse 7 und dem Abtriebselement 4 umgesetzt wird. Das Wellgetriebe 1 fungiert damit als hochuntersetztes Stellgetriebe.
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Der dem Wälzlager 14 zuzurechnende Außenring 18 ist in Axialrichtung auf der einen Seite durch den Boden des als Hohlrad ausgebildeten Abtriebselementes 4 gesichert. In der entgegengesetzten Richtung ist eine axiale Sicherung des Außenrings 18 und damit des gesamten Wellgenerators 13 durch einen Frontdeckel 19 gegeben, welcher zusammen mit dem flexiblen Getriebeelement 8 mit Hilfe von Schrauben 25 am Gehäuseelement 2 befestigt ist. Hierbei kann der Außenring 18 an einem Innenbord 20 anlaufen, welcher unmittelbar durch den Frontdeckel 19 gebildet ist und einen inneren hülsenförmigen Abschnitt 21 des Frontdeckels 19 abschließt. Der innere hülsenförmige Abschnitt 21 des Frontdeckels 19 ist koaxial innerhalb des zylindrischen Abschnitts 10 der Kragenhülse 8 angeordnet. Auf seiner dem Innenbord 20 gegenüberliegenden Stirnseite geht der innere hülsenförmige Abschnitt 21 in einen Flanschabschnitt 22 über, welcher dem Kragen 9 vorgelagert ist.
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Der Flanschabschnitt 22 umfasst einen äußeren ringförmigen Abschnitt 28 und einen hieran anschließenden inneren ringförmigen Abschnitt 29. Die beiden ringförmigen Abschnitte 28,29 sind geringfügig in Axialrichtung gegeneinander versetzt. Ausschließlich der äußere ringförmige Abschnitt 28 liegt am Kragen 9 des elastischen Getriebeelementes 8 an. Der innere ringförmige Abschnitt 29 ist dagegen vom Kragen 9 unter Bildung eines Ringspaltes abgehoben. Ein weiterer Ringspalt ist auf der dem erstgenannten Ringspalt gegenüberliegenden Seite des inneren ringförmigen Abschnitts 29 zur Axiallagerscheibe 6 hin gegeben. Dies hat den Effekt dass im Bereich des inneren ringförmigen Abschnitts 29 der Flanschabschnitt 22 in beiden Axialrichtungen elastisch auslenkbar ist, was signifikant zur Verformbarkeit des gesamten Getriebeelementes 8 beiträgt.
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Im Unterschied zum inneren ringförmigen Abschnitt 29 liegt der äußere ringförmige Abschnitt 28 am Kragen 9 an, so dass dieser in dem entsprechenden Bereich unverformbar im Wellgetriebe 1 gehalten ist. Bei der Montage des Wellgetriebes 1 werden Durchzüge 27, die vom äußeren ringförmigen Abschnitt 28 ausgehen, derart verformt, dass sie formschlüssig in konische Öffnungen in der Axiallagerscheibe 6 eingreifen. Hierbei durchdringen die Durchzüge 27 auch kreisrunde Öffnungen im Kragen 9, welche mit den trichterförmigen Öffnungen in der Axiallagerscheibe 6 fluchten.
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Nachdem aus dem Frontdeckel 19, der Kragenhülse 8 und der Axiallagerscheibe 6 eine ausschnittsweise in 3 dargestellte, nicht zerstörungsfrei zerlegbare Baueinheit gebildet wurde, wird diese Baueinheit an das Gehäuseelement 2, in welches zu diesem Zeitpunkt bereits der Wellgenerator 13 eingesetzt sein kann, angesetzt und dort verschraubt. Dieser Verschraubungsvorgang hat keinerlei Auswirkung auf die bereits zuvor endgültig festgelegte kreisrunde Querschnittsform des Kragens 9.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Antriebselement, Gehäuseelement
- 3
- Kettenrad
- 4
- Abtriebselement, Hohlrad
- 5
- Zapfen
- 6
- Axiallagerscheibe
- 7
- Gehäuse, Getriebegehäuse
- 8
- flexibles Getriebeelement, Kragenhülse
- 9
- Kragen
- 10
- zylindrischer Abschnitt
- 11
- Außenverzahnung
- 12
- Innenverzahnung
- 13
- Wellgenerator
- 14
- Wälzlager, Kugellager
- 15
- Innenring
- 16
- Wälzkörper, Kugel
- 17
- Käfig
- 18
- Außenring
- 19
- Frontdeckel
- 20
- Innenbord
- 21
- innerer hülsenförmiger Abschnitt
- 22
- Flanschabschnitt
- 23
- Oldham-Kupplung
- 24
- Anschlagscheibe
- 25
- Schraube
- 26
- Nockenwelle
- 27
- Durchzug
- 28
- äußerer ringförmiger Abschnitt
- 29
- innerer ringförmiger Abschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017/206988 A1 [0002]
- DE 102017126527 A1 [0003]
- DE 102017114069 A1 [0003]
- DE 102016223373 B3 [0003]
- DE 102016223796 A1 [0003]
- WO 2017/041802 A1 [0005]
- WO 2017/041800 A1 [0005]
