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Die Erfindung betrifft ein für ein Wellgetriebe geeignetes flexibles Getriebebauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges Getriebebauteil ist aus der
EP 0 741 256 B1 bekannt. Es handelt sich hierbei um ein verformbares Zahnrad mit einer Außenverzahnung, welches in einem Wellgetriebe innerhalb eines starren Zahnrads mit einer Innenverzahnung angeordnet ist. Der die Außenverzahnung aufweisende zylindrische Abschnitt des verformbaren Zahnrads geht in einen radial nach außen gerichteten Flansch über. Der innere Bereich des Flansches wird in der
EP 0 741 256 B1 als ringförmige Membran bezeichnet. Diese Membran wiederum geht über in einen verdickten Bereich, welcher als ringförmige Nabe bezeichnet ist und eine Anzahl Befestigungsausnehmungen aufweist. Damit ist die ringförmige Nabe an einem Umgebungsbauteil befestigbar.
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Die
EP 0 514 829 B2 offenbart ein als flexibles Becher-Element bezeichnetes nachgiebiges Getriebebauteil, welches mit dem flexiblen Zahnrad nach der
EP 0 741 256 B1 insofern Gemeinsamkeiten aufweist, als sich an einen zylindrischen, außenverzahnten Abschnitt des Getriebeelementes eine Membran und eine Nabe anschließen, welche sich in Radialrichtung des Getriebeelementes erstrecken. Im Fall der
EP 0 514 829 B2 sind die Membran und die an diese anschließende Nabe jedoch radial nach innen gerichtet, so dass das Getriebeelement insgesamt eine Becher- oder Topfform beschreibt. Die in den genannten Dokumenten beschriebenen Getriebeelemente sollen in Stellgetrieben von Robotern verwendbar sein.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickeltes flexibles Getriebebauteil für ein Wellgetriebe anzugeben, welches sich durch eine höhere Dauerhaltbarkeit auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein flexibles Getriebebauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das Getriebebauteil weist in an sich bekannter Grundform einen zylindrischen, außenverzahnten Abschnitt auf, an welchen sich ein Kragen, das heißt Flansch, anschließt, der Befestigungsabschnitte aufweist. Als Kragen wird sowohl ein radial nach außen gerichteter Flansch als auch ein radial nach innen gerichteter Bodenabschnitt bezeichnet.
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Der Flansch weist eine umfangsveränderliche Breite auf. Stirnseitig betrachtet bildet der Flansch folglich keine Kreisringfläche, sondern weist Bereiche auf, die radial weiter auskragen als andere. Die Bereiche, die radial weniger auskragen, bilden Aussparungen gegenüber der Einhüllenden des Flanschs. Die Einhüllende des Flanschs ist durch einen Kreisring gebildet, dessen Radien durch den Abstand des radial am weitesten außen und innen liegenden Punkte bestimmt ist.
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Die Aussparungen bewirken eine bessere Verformbarkeit des Flanschs. Wird das flexible Getriebeelement im zylindrischen Abschnitt durch einen Wellgenerator ovalisiert, verformt sich dabei teilweise auch der mit diesem verbundene Flansch. Insbesondere wenn der Flansch in einem oder mehreren Bereichen so befestigt ist, dass er dort nicht verformt werden kann, müssen die durch das Ovalisieren erzeugten Spannungen vom Werkstoff aufgenommen und abgebaut werden. Durch die vorgesehenen Aussparungen gegenüber dem Hüllkreis als einhüllender Kontur wird die Steifheit des Flansches partiell herabgesetzt, so dass sich insgesamt ein größerer Flanschbereich verformen kann und damit die Spannungsspitzen lokal reduziert werden. Die Aussparungen bewirken damit eine homogenere Verteilung des Verformungseintrags in den Flanschring.
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Die Befestigungsabschnitte des Flansches können als Befestigungsausnehmungen, beispielsweise Bohrungen, ausgebildet sein, über die der Flansch mit einem weiteren Getriebebauteil des Wellgetriebes verschraubt wird. Auch andere kraftschlüssige Verbindungsarten sind zur Fixierung des flexiblen Getriebebauteils geeignet.
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Alternativ ist der Flansch mittels der Befestigungsabschnitte formschlüssig an dem weiteren Getriebebauteil des Wellgetriebes fixierbar. Gegebenenfalls erfolgt an dem weiteren Getriebebauteil keine Sicherung in Umfangsrichtung oder keine in Axialrichtung, so dass der noch verbleibende Freiheitsgrad über ein drittes Bauteil wie eine Axiallagerscheibe, ein Gehäuse oder ähnliches eliminiert wird.
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Auch eine stoffschlüssige Verbindung im Bereich der Befestigungsabschnitte ist möglich.
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Vorzugsweise weist der Flansch mehrere, in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Befestigungsabschnitte auf. Die erforderliche Befestigungskraft je Befestigungsabschnitt ist dadurch reduziert, und die Verformung des Flanschs erfolgt in mehreren Flanschabschnitten, so dass die maximale Verformung und die dadurch bewirkte Ermüdung des Werkstoffs verringert werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Flansch zwischen zwei Befestigungsabschnitten an seinem radialen Außenrand eine Einschnürung auf. Die Einschnürung bildet eine lokale Durchmesserverringerung und verringert die Steifigkeit des Flanschsegments zwischen den Befestigungsabschnitten.
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Besonders bevorzugt ist die Einschnürung in Bezug auf die Drehachse des flexiblen Getriebebauteils konkav ausgebildet, so dass lokale Spannungsspitzen im Flansch vermieden werden. Von der Drehachse gedachte radiale Strahlen schneiden den Flansch im Bereich der Einschnürung in einer weiteren Ausführungsform genau einmal.
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In einer Weiterbildung weist die Einschnürung die Form eines Bogensegments oder Kreisbogensegments auf. Diese bewirken ein besonders gleichmäßiges Verformen des Flanschs im Betrieb.
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Zur Vergleichmäßigung des Durchwalkens ist es weiterhin vorteilhaft, wenn in Umfangsrichtung zwischen jeweils zwei Befestigungsabschnitten immer eine Einschnürung angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist das Getriebebauteil mehrere Einschnürungen auf, die derart ausgebildet sind, dass in jeder Radialebene die effektive radiale Flanschbreite kleiner als die durch die Einhüllende gebildete Flanschbreite ist. Die effektive Flanschbreite wird in Radialrichtung gesehen durch die Abschnitte des Flansches gebildet, in denen tatsächlich Material angeordnet ist. Weist also der Flansch Bohrungen als Befestigungsabschnitte auf, reduzieren die Bohrungen die effektive Flanschbreite um die Sekante des durch die Bohrung verlaufenden Radialstrahls.
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Die Lebensdauer des flexiblen Getriebebauteils ist besonders hoch, wenn die effektive Flanschbreite nur gering variiert. Vorteilhafterweise soll sich die effektive Flanschbreite in Umfangsrichtung gesehen um weniger als 50% gegenüber einem Mittelwert verändern. Besonders bevorzugt beträgt ihre Änderung höchstens 25%.
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Die effektive Flanschbreite unterliegt aufgrund der Befestigungsausnehmungen und weiterer Aussparungen im Flansch noch einer relativ hohen Varianz. Die Flanschverformungen erfolgen allerdings nicht allein radialsymmetrisch. Besonders belastete Bereiche wirken auf ihre angrenzenden Flächen ein. Es hat sich herausgestellt, dass die effektiven Flanschwinkelsegmentflächen möglichst gleich sein sollen. Unter Flanschwinkelsegmentfläche wird die tatsächliche Flanschfläche verstanden, die sich in einem beliebigen Winkelsegment des Flanschs befindet, wobei die Winkelbreite dem Winkel des Befestigungsabschnitts entspricht. Überstreicht beispielsweise ein als eine Bohrung ausgebildeter Befestigungsabschnitt einen Winkel von 10°, sollten Flanschwinkelsegmente von jeweils 10° betrachtet werden. Die durch diese Teilung gebildeten effektiven Flanschwinkelsegmentflächen sollten um weniger als 30%, besser um weniger als 15% voneinander abweichen.
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Die Befestigungsabschnitte können gegenüber dem übrigen Flansch in Axialrichtung des Getriebebauteils versetzten Anschlussabschnitten angeordnet sein. In der unmittelbaren Nähe des aufliegenden Schraubenkopfs kann sich der Flansch nicht verformen. Der axiale Versatz der Anschlussabschnitte, welche an einem Umgebungsbauteil befestigbar sind, gegenüber dem restlichen Bereich des Flansches trägt dazu bei, auch bei Verformungen des Getriebebauteils die in diesem auftretenden mechanischen Spannungen in einem moderaten Rahmen zu halten. Gleichzeitig ist durch die in Axialrichtung versetzten Anschlussabschnitte im Vergleich zu einem hutförmigen oder topfförmigen Getriebebauteil, dessen Flansch in einer einzigen Ebene liegt, höchstens ein geringfügiger zusätzlicher Raumbedarf gegeben. Sind die Anschlussabschnitte gegenüber dem restlichen Bereich des Flansches zum zylindrischen Abschnitt hin versetzt, so bedeutet dies sogar eine Bauraumeinsparung, da Schraubenköpfe, welche an den Anschlussabschnitten anliegen, weniger weit aus dem Flansch herausragen.
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Das flexible Getriebebauteil kann je nach Getriebebauart entweder auf der Antriebsseite oder auf der Abtriebsseite des Getriebes angeordnet sein. Ist der Flansch radial nach außen gerichtet, das heißt das Getriebebauteil hutförmig gestaltet, so handelt es sich vorzugsweise um ein antriebsseitiges Getriebebauteil. Ist das Getriebeteil dagegen topfförmig, das heißt mit einem radial nach innen weisenden Flansch, gestaltet, so handelt es sich vorzugsweise um ein abtriebsseitiges Getriebebauteil.
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Innerhalb des in einer einzigen Ebene liegenden, axial nicht freigestellten, insgesamt ringförmigen Bereichs des Flansches befinden sich in vorteilhafter Ausgestaltung mehrere Ausnehmungen, wobei jede dieser Ausnehmungen vorzugsweise radial unmittelbar innerhalb eines Befestigungsabschnitts liegt. Jede Ausnehmung überragt den angrenzenden Anschlussabschnitt vorzugsweise beidseitig in Umfangsrichtung des Flansches, wobei die Ausnehmung konkav gekrümmt und an ihren Enden aufgeweitet ist. Die konkave Krümmung der Ausnehmung bedeutet, dass diese entgegen der Krümmung, welche durch den Flansch beschrieben wird, gebogen ist. Aufgrund dieser konkaven Krümmungen können die aufgeweiteten Enden der Ausnehmung mit einer Befestigungsausnehmung, welche sich im Befestigungsabschnitt befindet, in Radialrichtung des Getriebebauteils überlappen. Dies bedeutet, dass mindestens ein zur Mittelachse des Getriebebauteils konzentrischer Kreis existiert, welcher sowohl die Befestigungsausnehmung im Anschlussabschnitt als auch die Enden der konkav gekrümmten Ausnehmung schneidet. Das Getriebebauteil weist damit eine ausgeprägte Nachgiebigkeit bei Kippbelastungen auf, wobei zugleich eine hohe Steifigkeit in Umfangsrichtung gegeben ist.
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Das Getriebebauteil ist vorzugsweise als Blechteil ausgebildet; die Wandstärke des Kragens einschließlich der Anschlussabschnitte ist vorzugsweise zumindest annähernd einheitlich. Auch die Verzahnung des zylindrischen Abschnitts des Getriebebauteils ist vorzugsweise integraler Bestandteil des umformtechnisch hergestellten Getriebebauteils. In alternativen Bauformen ist ein verzahnter Ring als gesondertes Bauteil auf den zylindrischen Abschnitt aufgesetzt und mit diesem drehfest verbunden.
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Das flexible Getriebebauteil eignet sich besonders zur Verwendung in einem Wellgetriebe, welches als Stellgetriebe eines elektrischen Nockenwellenverstellers zum Einsatz kommt. Ebenso ist das flexible Getriebebauteil für die Verwendung in einem Wellgetriebe in einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Hubkolbenmotors, geeignet.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ausschnittsweise ein Stellgetriebe, nämlich Wellgetriebe, mit einem flexiblen Getriebebauteil,
- 2 das flexible Getriebebauteil der Anordnung nach 1 in Frontansicht und
- 3 das flexible Getriebebauteil in perspektivischer Ansicht.
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Die 1 zeigt einen schematisierten Ausschnitt eines Wellgetriebes 1, welches als Stellgetriebe eines elektrischen Nockenwellenverstellers zum Einsatz kommt. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion des Wellgetriebes 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Ein Antriebselement 2 des Wellgetriebes 1 ist als Kettenrad ausgebildet und wird von der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetrieben, wobei es in an sich bekannter Weise mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert. Mit Hilfe mehrerer Schrauben 3 ist ein flexibles Getriebebauteil 5, nämlich eine Kragenhülse, mit dem Antriebselement 2 verbunden, wobei zugleich eine Scheibe 4, welche als Anschlagscheibe innerhalb des Wellgetriebes 1 fungiert, am Antriebselement 2 befestigt ist.
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Das flexible Getriebebauteil 5 weist einen zylindrischen Abschnitt 6 auf, an dessen Mantelfläche sich eine Verzahnung 7 als Außenverzahnung befindet. Die Verzahnung 7 wirkt in an sich bekannter Weise mit der Innenverzahnung eines nicht dargestellten, in sich starren Getriebeelementes zusammen, wobei der zylindrische Abschnitt 6 einschließlich der Verzahnung 7 beim Betrieb des Wellgetriebes 1 durch einen Wellgenerator verformt wird.
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Auf der der Verzahnung 7 gegenüberliegenden Stirnseite des flexiblen Getriebeelementes 5 geht der zylindrische Abschnitt 6 in einen radial nach außen gerichteten Flansch 8 über, welcher auch als Kragen bezeichnet wird.
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Der Flansch 8 liegt größtenteils in einer einzigen, zur Mittelachse des flexiblen Getriebebauteils 5 und damit zur Rotationsachse des Wellgetriebes 1 normalen Ebene. Von dieser Ebene abgehoben sind Anschlussabschnitte 10, welche gleichförmig am Umfang des Flanschs 8 verteilt sind und integrale Bestandteile des Flanschs 8 darstellen. Mittig in jedem der insgesamt fünf Anschlussabschnitte 10 befindet sich ein Befestigungsabschnitt 9 in Form einer Bohrung, durch welche jeweils eine Schraube 3 gesteckt ist, so dass der Kopf der Schraube 3 flächig am Anschlussabschnitt 10 anliegt.
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Die Anschlussabschnitte 10 sind vom übrigen, ringförmigen Bereich des Flansches 8 derart in Axialrichtung abgehoben, dass sie näher an der Verzahnung 7 angeordnet sind. Der Versatz der Anschlussabschnitte 10 gegenüber den umgebenden Abschnitten des Flanschs 8 ist größer als dessen Wandstärke. Der gesamte Flansch 8 einschließlich der Anschlussabschnitte 10 weist eine einheitliche Wandstärke auf.
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Radial nach innen ist jeder Anschlussabschnitt 10 begrenzt durch eine Ausnehmung 11, welche innerhalb des Flansches 8 gebildet ist. Die Ausnehmung 11 ist in Umfangsrichtung ausgedehnter als der Anschlussabschnitt 10. Die Form eines jeden Anschlussabschnitts 10 ist annähernd rechteckig mit abgerundeten Längsseiten, welche einerseits durch die Außenkontur des Flanschs 8 und andererseits durch den Rand der Ausnehmung 11 gebildet sind. Jede Ausnehmung 11 beschreibt eine längliche, konkave Form mit aufgeweiteten Enden, wobei die Enden der Ausnehmung 11 in Umfangsrichtung des Flansches 8 beidseitig neben dem Anschlussabschnitt 10 angeordnet sind.
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In Umfangsrichtung zwischen zwei Befestigungsausnehmungen 9 ist jeweils eine Einschnürung 12 angeordnet. Die Einschnürung 12 reduziert die Flanschbreite und erleichtert ein Deformieren des Flanschs 8. Die Einschnürung weist in Bezug auf die Rotationsachse 13 eine konkave Form auf. Vorliegend beschreibt sie einen Kreisbogenabschnitt 15, der endseitig durch Radien 16 verrundet ist.
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Die Einschnürungen 12 reduzieren die effektive Flanschbreite bϕ, welche durch die Summe aller im Flansch 8 verlaufenden Teilstrecken des Radialstrahls im Winkel ϕ gegeben ist. Die effektive Flanschbreite bϕ, streut um eine mittlere effektive Flanschbreite mit einer Abweichung von weniger als 50% und führt zu einer vergleichmäßigten Flanschverformung.
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Mit Fϕ ist die effektiven Flanschwinkelsegmentflächen bezeichnet. Sie wird gebildet durch das Flanschmaterial, das sich im Winkel ϕ mit einer Winkelbreite der Befestigungsabschnitte 9 befindet. Die durch diese Teilung gebildeten effektiven Flanschwinkelsegmentflächen weichen von einer mittleren Flanschwinkelsegmentfläche um weniger als 25% voneinander ab.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Antriebselement
- 3
- Schraube
- 4
- Scheibe
- 5
- flexibles Getriebebauteil, Kragenhülse
- 6
- zylindrischer Abschnitt
- 7
- Verzahnung
- 8
- Kragen, Flansch
- 9
- Befestigungsabschnitt
- 10
- Anschlussabschnitt
- 11
- Ausnehmung
- 12
- Einschnürung
- 13
- Rotationsachse
- 14
- Einhüllende
- 15
- Kreisbogenabschnitt
- 16
- Radius
- bϕ
- effektive Flanschbreite
- bE
- Flanschbreite der Einhüllenden
- Fϕ
- Flanschwinkelsegmentfläche
- ϕi
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0741256 B1 [0002, 0003]
- EP 0514829 B2 [0003]
- DE 102004009128 A1 [0004]
- DE 102013220220 A1 [0004]
- DE 102014202060 A1 [0004]
- DE 102017121024 A1 [0004]
