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Die Erfindung betrifft ein für die Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller geeignetes Wellgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges, als Stellgetriebe einsetzbares Wellgetriebe ist beispielsweise aus der
US 2011/0030631 A1 bekannt. Dieses Wellgetriebe weist ein als Ganzes drehbares Gehäuse sowie ein im Gehäuse drehbares Abtriebselement auf, wobei das Abtriebselement gegenüber dem Gehäuse durch eine Federvorrichtung vorgespannt ist. Die Federvorrichtung umfasst eine Feder, welche in einer Kassette angeordnet ist.
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Wellgetriebe arbeiten prinzipbedingt mit einem verformbaren Getriebeelement. Im Fall der
US 2011/0030631 A1 ist dieses Getriebeelement als Flexring ausgebildet. Hierunter wird ein einfaches ringförmiges Element verstanden, welches die Form eines Zylindermantels hat und keinerlei flanschförmige, radial nach innen oder außen gerichtete Fortsätze aufweist.
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Statt einer simplen zylindrischen Form, wie sie bei einem Flexring gegeben ist, kann ein nachgiebiges Getriebeelement eines Wellgetriebes zum Beispiel auch eine Topfform beschreiben. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente
DE 10 2017 121 320 B3 und
DE 10 2017 109 303 B3 hingewiesen.
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Ebenso sind Wellgetriebe bekannt, deren elastisches Getriebeelement eine Hutform, auch als Kragenform bezeichnet, beschreibt. Derartige Wellgetriebe sind beispielsweise aus den Dokumenten
DE 10 2017 121 024 A1 und
DE 10 2017 119 460 B3 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickeltes federvorgespanntes Wellgetriebe anzugeben, welches sich durch einen besonders kompakten, fertigungsfreundlichen Aufbau auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Wellgetriebe umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein Gehäuse, ein im Gehäuse drehbar gelagertes Abtriebselement, insbesondere in Form eines Abtriebshohlrades, und ein flexibles, außenverzahntes, als Flexring ausgebildetes Getriebeelement, zu dessen Verformung ein Wellgenerator vorgesehen ist, wobei ein zwischen dem Gehäuse und dem Abtriebselement wirksames, als Drehfeder ausgebildetes Federelement in dem Gehäuse angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist das Federelement einerseits an einem Verstellelement des Wellgenerators und andererseits am Abtriebselement angehängt und axial zwischen dem Verstellelement und einem Boden des Abtriebselementes angeordnet.
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Von bekannten vorgespannten Wellgetrieben, bei welchen ein Federelement direkt zwischen das Antriebselement und das Abtriebselement gespannt ist, unterscheidet sich das erfindungsgemäße Wellgetriebe somit grundsätzlich dadurch, dass das Federelement nicht am Antriebselement, sondern am Verstellelement, welches in typischen Anwendungen elektrisch angetrieben ist, angehängt ist. Der Begriff „angehängt“ wird unabhängig davon verwendet, wie die Kraft- und Drehmomentübertragung zwischen dem Federelement einerseits und dem Verstellelement beziehungsweise Abtriebselement andererseits realisiert ist. In jedem Fall ist das Federelement getrieblich zwischen dem Verstellelement und dem Abtriebselement angeordnet. Dies bedeutet, dass die Federkraft durch die Übersetzung des Wellgetriebes auf das Abtriebselement einwirkt.
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Die Anordnung des Federelements in einem ringscheibenförmigen Raum zwischen dem Verstellelement und dem Boden des Abtriebselementes ermöglicht zum einen einen besonders kompakten Aufbau des Wellgetriebes und zum anderen eine geschützte Unterbringung des Federelementes innerhalb des Gehäuses, vorzugsweise zugleich innerhalb eines durch das Abtriebselement gebildeten Hohlraums.
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Im Vergleich zu dem aus der
US 2011/0030631 A1 bekannten Stellgetriebe ist die Rückstellfeder, das heißt das Federelement, des erfindungsgemäßen Wellgetriebes von der Ausgangsseite des Getriebes in Richtung zu dessen Innenraum verschoben. Aufgrund der gegebenen Getriebeübersetzung, welche beispielsweise bei 1 : 60 oder 1 : 90 oder einem noch höheren Untersetzungsverhältnis liegt, ist zudem eine im Vergleich zum Stand der Technik sehr schwach ausgelegte Feder als Rückstellfeder für die zuverlässige Verstellung des Wellgetriebes in eine Basisposition ausreichend.
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Auch das Verstellelement ist innerhalb des ein- oder mehrteiligen Gehäuses des Wellgetriebes angeordnet. Das Gehäuse kann ein als Ganzes drehbares Antriebselement des Wellgetriebes darstellen. Alternativ kann das Gehäuse fest in eine Umgebungskonstruktion eingebaut oder unmittelbar durch eine Umgebungskonstruktion gebildet sein. In beiden Fällen handelt es sich bei dem Verstellelement des Wellgenerators vorzugsweise um einen Innenring eines Wälzlagers, insbesondere Kugellagers.
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Zur Anbindung des Federelementes an den Innenring ist vorzugsweise ein gestuftes verstellwellenseitiges Hülsenelement vorgesehen, welches einen inneren zylindrischen Abschnitt aufweist, der in einer Innenumfangsfläche des Innenrings gehalten ist, wobei an den inneren zylindrischen Abschnitt ein Scheibenabschnitt anschließt, der an einer Stirnseite des Innenrings anliegt, und wobei der Scheibenabschnitt in einen äußeren zylindrischen Abschnitt übergeht, der das Federelement konzentrisch umgibt.
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Das Federelement ist vorzugsweise am äußeren zylindrischen Abschnitt des verstellwellenseitigen Hülsenelements angehängt. Alternativ kann das Federelement auch am radial äußeren Bereich des Scheibenabschnitts des verstellwellenseitigen Hülsenelements oder im Übergangsbereich zwischen dem Scheibenabschnitt und dem äußeren zylindrischen Abschnitt angehängt sein.
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Zur Anbindung des Federelementes an das Abtriebselement ist erfindungsgemäß ein gestuftes abtriebsseitiges Hülsenelement vorgesehen, welches einen inneren zylindrischen Abschnitt aufweist, der in einer Innenumfangsfläche des Abtriebselementes gehalten ist, wobei an den inneren zylindrischen Abschnitt ein Scheibenabschnitt anschließt, der an einer Stirnseite des Bodens des Abtriebselementes anliegt, und wobei der Scheibenabschnitt in einen äußeren zylindrischen Abschnitt übergeht, der konzentrisch innerhalb des Federelementes angeordnet ist.
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Die Anhängung des Federelementes am abtriebsseitigen Hülsenelement befindet sich vorzugsweise am äußeren zylindrischen Abschnitt des genannten Hülsenelementes. Beide Hülsenelemente sind vorzugsweise aus Stahlblech gefertigt.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung weist der innere zylindrische Abschnitt ersten Hülsenelementes einen größeren Durchmesser auf als der äußere zylindrische Abschnitt des zweiten Hülsenelementes.
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Die Summe aus der in Axialrichtung zu messenden Breite des Innenrings und der in derselben Richtung zu messenden Breite der Drehfeder beträgt in bevorzugter Ausgestaltung mehr als die Hälfte der Breite, jedoch weniger als die einfache Breite, des Flexrings.
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Bei typischen Anwendungen als Stellgetriebe weist die Drehfeder des Wellgetriebes, welche als Bandfeder gestaltet ist, beispielsweise eine Materialstärke von mindestens 0,15 mm und maximal 0,3 mm, insbesondere eine Stärke von 0,2 mm, auf. Aufgrund der hohen Untersetzung des Wellgetriebes ist die damit erzeugte Federkraft ausreichend zur Verdrehung des Verstellelementes, womit indirekt auch das vorzugsweise topfförmig gestaltete Abtriebselement gegenüber dem Gehäuse verdreht wird. Um das Abtriebselement über einen vorgegeben maximalen Schwenkwinkel von einigen zehn Grad gegenüber dem Gehäuse zu verschwenken, sind mehrere Umdrehungen des Verstellelementes erforderlich. Mit Hilfe der als Wickelfeder ausgebildeten Drehfeder ist dies bewerkstelligbar.
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Das Wellgetriebe ist nicht nur für die Verwendung als Stellgetriebe eines Verbrennungsmotors, sondern auch für industrielle Anwendungen, beispielsweise in einer Werkzeugmaschine oder in einem Industrieroboter, geeignet.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein Wellgetriebe in vereinfachter Schnittdarstellung,
- 2 das Wellgetriebe in Explosionsdarstellung.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wellgetriebe ist zur Verwendung als Stellgetriebe eines nicht weiter dargestellten elektromechanischen Nockenwellenverstellers in einem Verbrennungsmotor vorgesehen. 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 als Ganzes drehbares Gehäuse 2 auf, welches im Ausführungsbeispiel einteilig mit einem Kettenrad 3 ausgebildet ist. Das als Antriebselement des Wellgetriebes 1 fungierende Gehäuse 2 wird in an sich bekannter Weise über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben, wobei es mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert. Im Gehäuse 2 ist ein topfförmiges Abtriebselement 4 gelagert, welches auch als Abtriebshohlrad bezeichnet wird und fest mit der zu verstellenden Nockenwelle zu verbinden ist. Zu diesem Zweck befindet sich in dem mit 5 bezeichneten Boden des Abtriebselements 4 eine zentrale Öffnung 6, durch welche eine nicht dargestellte Zentralschraube durchgesteckt werden kann, die in die Nockenwelle einzuschrauben ist.
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Das Wellgetriebe 1 weist ein flexibles, außenverzahntes Getriebeelement 7 auf, welches lediglich in 1 angedeutet ist und eine zylindrische Grundform mit im unverformten Zustand kreisrundem Querschnitt aufweist. Zur Verformung des Flexrings 7 beim Betrieb des Wellgetriebes 1 ist ein Wellgenerator 8 vorgesehen. Der Wellgenerator 8 umfasst ein Wälzlager 9, nämlich Kugellager, dessen Innenring 10 eine kreisrunde Innenumfangsfläche und eine nicht kreisrunde Außenumfangsfläche aufweist. Auf dem nicht kreisrunden, elliptischen Innenring 10 rollen Kugeln 11 als Wälzkörper ab.
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Die Kugeln 11 kontaktieren einen Außenring 12, welcher im Unterschied zum Innenring 10 nachgiebig ist, so dass er sich permanent der unrunden Form des Innenrings 10 anpasst. Der Außenring 12 ist direkt umgeben vom Flexring 7, ohne mit diesem fest verbunden zu sein. Dementsprechend passt sich auch der Flexring 7 bei der Rotation des Innenrings 10 permanent dessen elliptischer, nicht kreisrunder Form an.
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Die Außenverzahnung des Flexrings 7 wird in an sich bekannter Weise an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen in Eingriff einer Innenverzahnung des Gehäuses 2 sowie einer mit 13 bezeichneten Innenverzahnung des Abtriebselements 4 gebracht. Durch eine unterschiedliche Anzahl an Zähnen der Verzahnung des Gehäuses 2 einerseits und der Innenverzahnung 13 des Abtriebselementes 4 andererseits wird dafür gesorgt, dass eine volle Umdrehung des Innenrings 10 in Relation zum Gehäuse 2 in eine vergleichsweise geringe Verschwenkung zwischen dem Abtriebselement 4 und dem als Antriebselement fungierenden Gehäuse 2 umgesetzt wird.
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Der Flexring 7 ist ebenso wie der Außenring 12 innerhalb des Gehäuses 2 in Axialrichtung einerseits durch das Gehäuse 2 selbst und andererseits durch den Boden 5 des Abtriebselements 4 gesichert. Zur axialen Sicherung des Abtriebselements 4 innerhalb des Gehäuses 2 ist im Ausführungsbeispiel eine Scheibe 14 vorgesehen, welche an der Ausgangsseite des Wellgetriebes 1 angeordnet ist, wobei das Abtriebselement 4 in Axialrichtung über die Scheibe 14 hinausragt.
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Der Innenring 10 wird beim Betrieb des Verbrennungsmotors durch einen nicht dargestellten Elektromotor angetrieben. Im Innenring 10 befestigte Bolzen 15 stellen die Kopplung zu einer nicht dargestellten Ausgleichskupplung, nämlich Oldham-Kupplung, her, welche zwischen die Motorwelle des Elektromotors und den Innenring 10, der allgemein als Verstellelement bezeichnet wird, geschaltet ist.
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Solange der Innenring 10 mit der Drehzahl des Gehäuses 2 rotiert, bleibt das Wellgetriebe 1 in unveränderter Einstellung. Bei einem Ausfall des Elektromotors sorgt ein Federelement 16 dafür, dass das Abtriebselement 4 eine vorgesehene Basisposition gegenüber dem Gehäuse 2 annimmt. Die Basisposition wird durch Anschläge am Gehäuse 2 oder einem damit fest verbundenen Teil, beispielsweise der Scheibe 14, einerseits und am Abtriebselement 4 oder einem sonstigen abtriebsseitigen Element andererseits bestimmt.
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Das Federelement 16 ist als Drehfeder in Form einer Wickelfeder ausgebildet und greift einerseits am Innenring 10, und andererseits am Abtriebselement 4 an. Zur Anbindung des Federelementes 16 an den Innenring 10 ist ein gestuftes, verstellwellenseitiges Hülsenelement 17 am Innenring 10 befestigt. Das verstellwellenseitige Hülsenelement 17 weist einen zylindrischen Abschnitt 18 auf, der in den Innenring 10 eingepresst ist. Der Innendurchmesser des inneren zylindrischen Abschnitts 18 wird mit D18 bezeichnet. An den inneren zylindrischen Abschnitt 18 schließt sich ein Scheibenabschnitt 19 an, welcher stirnseitig am Innenring 10 anliegt.
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Der Scheibenabschnitt 19 wiederum geht über in einen äußeren zylindrischen Abschnitt 20, welcher vom Innenring 10 aus in Richtung zum Boden 5 des Abtriebselements 4 ragt. Die zylindrischen Abschnitte 18, 20 sind konzentrisch zur mit M bezeichneten Mittelachse des Wellgetriebes 1 angeordnet.
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Zusätzlich zum verstellwellenseitigen Hülsenelement 17 existiert ein gestuftes abtriebsseitiges Hülsenelement 21, welches am Abtriebshohlrad 4, das heißt auf der Abtriebsseite des Wellgetriebes 1, befestigt ist. Im Fall des abtriebsseitigen Hülsenelementes 21 ist ein innerer zylindrischer Abschnitt 22 in die Öffnung 6 im Boden 5 des Abtriebselementes 4 eingepresst. Ein an den inneren zylindrischen Abschnitt 22 anschließender Scheibenabschnitt 23 liegt am Boden 5 an. An den radial äußeren Rand des Scheibenabschnitts 23 schließt ein äußerer zylindrischer Abschnitt 24 an, welcher konzentrisch innerhalb des äußeren zylindrischen Abschnitts 20 des verstellwellenseitigen Hülsenelementes 17 angeordnet ist. Der Außendurchmesser des äußeren zylindrischen Abschnitts 24 ist mit D24 bezeichnet und geringer als der Innendurchmesser D18 des inneren zylindrischen Abschnitts 18 des verstellwellenseitigen Hülsenelementes 17.
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Das Federelement 16 befindet sich innerhalb des zwischen den äußeren zylindrischen Abschnitten 20, 24 gebildeten Ringraums und liegt damit axial zwischen dem Verstellelement 10 und dem Boden 5 des Abtriebshohlrads 4. Die Enden des Federelementes 16 sind an den äußeren zylindrischen Abschnitten 20, 24 angehängt. In 2 ist das äußere Federende des Federelementes 16 mit 25 bezeichnet.
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In Längsrichtung der Mittelachse M nehmen der Innenring 10 und das Federelement 16 in der Summe eine Breite ein, welche mehr als halb so groß wie die in derselben Richtung zu messende Breite des Flexrings 7 ist. Das Federelement 16 ist aus einem dünnwandigen Federband mit einer Wandstärke von 0,2 mm gefertigt. Bei der Montage des Wellgetriebes 1 wird das Federelement 16 derart vorgespannt, dass es beim späteren Betrieb des Wellgetriebes 1 über den gesamten Verstellbereich ein annähernd konstantes Moment auf das Verstellelement 10 ausübt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Kettenrad
- 4
- Abtriebselement
- 5
- Boden
- 6
- Öffnung
- 7
- Flexring
- 8
- Wellgenerator
- 9
- Wälzlager
- 10
- Innenring
- 11
- Kugel, Wälzkörper
- 12
- Außenring
- 13
- Innenverzahnung
- 14
- Scheibe
- 15
- Bolzen
- 16
- Federelement
- 17
- verstellwellenseitiges Hülsenelement
- 18
- innerer zylindrischer Abschnitt
- 19
- Scheibenabschnitt
- 20
- äußerer zylindrischer Abschnitt
- 21
- abtriebsseitiges Hülsenelement
- 22
- innerer zylindrischer Abschnitt
- 23
- Scheibenabschnitt
- 24
- äußerer zylindrischer Abschnitt
- 25
- äußeres Federende
- D18
- Innendurchmesser
- D24
- Außendurchmesser
- M
- Mittelachse
