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Die Erfindung betrifft ein insbesondere als Stellgetriebe eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers verwendbares Wellgetriebe. Ferner betrifft die Erfindung ein Set aus Elementen zum Zusammenbau verschiedener Abtriebshohlräder für Wellgetriebe. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Abtriebselementes eines Wellgetriebes und zur Verbindung des Abtriebselementes mit einer anzutreibenden oder um einen begrenzten Winkel zu verstellenden Welle.
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Wellgetriebe arbeiten prinzipbedingt mit einem verformbaren verzahnten Getriebeelement. Ein solches Getriebeelement kann eine einfache Ringform aufweisen, das heißt als Flexring ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die
DE 20 2015 009 214 U1 hingewiesen, wobei in diesem Fall ein flexibles innenverzahntes Getriebebauteil, das heißt ein Flexring, eine unrunde Grundform aufweist.
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Wellgetriebe mit topfförmigen flexiblen Getriebeelementen sind beispielsweise in den Dokumenten
DE 10 2019 132 995 A1 und
DE 10 2018 132 400 A1 offenbart. Im letztgenannten Fall ist ein als Kettenrad ausgebildetes Antriebselement des Wellgetriebes als Sinterteil hergestellt.
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Weiterhin sind Wellgetriebe mit kragenförmigen flexiblen Getriebeelementen bekannt. Beispielhaft wird auf die
DE 10 2018 126 440 A1 hingewiesen. In diesem Fall ist ein als Kragenhülse ausgebildetes flexibles, außenverzahntes Getriebeelement an einem Adapter aufgehängt, welcher als Sinterteil ausgebildet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wellgetriebe gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungstechnischen Aspekten einschließlich einer Flexibilität der Fertigung weiterzuentwickeln.
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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 Set aus Elementen, welche zum Zusammenbau verschiedener Abtriebshohlräder für Wellgetriebe geeignet sind. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein die Merkmale des Anspruchs 9 aufweisendes Verfahren zur Montage eines Abtriebselementes eines Wellgetriebes und zur Verbindung des Abtriebselementes mit einer Welle. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Montage- und Verbindungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt das Wellgetriebe sowie das Set aus Wellgetriebeelementen, und umgekehrt.
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Das Wellgetriebe umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein flexibles, außenverzahntes Getriebeelement sowie ein mit diesem direkt zusammenwirkendes innenverzahntes Abtriebshohlrad. Gemäß Anspruch 1 ist das Abtriebshohlrad aus zwei jeweils topfförmigen, ineinander geschachtelten Elementen, nämlich einem äußeren Stützelement und einem inneren, im Vergleich zum Stützelement dünnwandigeren Verzahnungstopf, zusammengesetzt.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass zur Herstellung eines Abtriebshohlrades eines Wellgetriebes verschiedene Fertigungsverfahren in Frage kommen. Neben spanabhebenden Verfahren sind insbesondere pulvermetallurgische Verfahren zu nennen. Mit jedem dieser Verfahren ist es grundsätzlich möglich, verschiedene Konturen, beispielsweise einerseits Konturen einer Gleitlagerung und andererseits Verzahnungskonturen, an ein und demselben Bauteil zu realisieren.
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Die anmeldungsgemäße Lösung wendet sich bewusst von dem an sich bekannten Ansatz, das innenverzahnte, in sich starre Abtriebshohlrad eines Wellgetriebes als einstückiges Bauteil bereitzustellen, ab und sieht stattdessen eine mehrteilige Baukastenlösung vor.
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Im Sinne eines solchen Baukastensystems umfasst das Set aus Abtriebshohlradkomponenten eine Mehrzahl an in Abhängigkeit von der Umgebungskonstruktion, insbesondere Konstruktion eines Nockenwellenverstellers, gegeneinander austauschbaren topfförmigen Stützelementen sowie mindestens einen, zum wahlweisen Einsetzen in eines der Stützelemente geeigneten, im Vergleich zu den Stützelementen dünnwandigen und flexiblen Verzahnungstopf, wobei in typischer Ausgestaltung eine Übergangspassung zwischen Verzahnungstopf und Stützelement gegeben ist. Die verschiedenen Stützelemente unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich ihrer Anschlusskonturen, welche an Konturen einer Umgebungskonstruktion einschließlich der zu verdrehenden Welle angepasst sind, voneinander.
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Bei dem Verzahnungstopf handelt es sich insbesondere um ein gehärtetes Umformbauteil. Dieses kann als Standardbauteil bereitgestellt werden, welches mit verschiedenen, anwendungsspezifischen Stützelementen kombinierbar ist, wobei der Werkstoff, aus welchem das Stützelement gefertigt ist, sich von dem Werkstoff, aus welchem der Verzahnungstopf gefertigt ist, unterscheiden kann. Für die Herstellung des Stützelementes kommen beliebige an sich bekannte Fertigungsverfahren, insbesondere spanabhebende sowie pulvermetallurgische Verfahren, in Betracht. Auf rationelle Weise kann der Verzahnungstopf mit einer Übergangspassung in das Stützelement eingesetzt werden.
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Insgesamt umfasst das Verfahren zur Montage eines Abtriebselemetes eines Wellgetriebes und zur Verbindung des Abtriebselementes mit einer Welle, insbesondere Nockenwelle, folgende Schritte:
- - Bereitstellung eines topfförmigen Stützelementes sowie eines innenverzahnten, vergleichsweise dünnwandigen Verzahnungstopfes,
- - Bildung eines innenverzahnten Abtriebselementes durch Einpressen des Verzahnungstopfes in das Stützelement,
- - Verschrauben des Abtriebselementes mit einer Welle.
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Der letztgenannte Verfahrensschritt, das heißt das Verschrauben des Abtriebselementes mit einer Welle, beispielsweise Nockenwelle, ist insbesondere mit Hilfe einer einzigen Zentralschraube möglich, welche durch zentrale Bohrungen in dem Stützelement sowie in dem Verzahnungstopf hindurch in die Welle eingeschraubt wird und damit einen zur Drehmomentübertragung geeigneten Klemmverband herstellt.
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Weitere Mittel, welche die Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Verzahnungstopf und der anzutreibenden oder zu verstellenden Welle ermöglichen, sind in fertigungstechnisch vorteilhafter Ausgestaltung nicht vorgesehen.
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In das Stützelement können über die Halterung und Stabilisierung des Verzahnungstopfes sowie die Verbindung mit der Welle hinausgehende Zusatzfunktionen integriert sein. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Verdrehwinkelbegrenzung zwischen dem Abtriebshohlrad und einem äußeren Element, in welchem das Abtriebshohlrad gelagert ist, handeln. Das genannte, eine Lagerungsfunktion übernehmende Element kann entweder in Form eines drehbaren Elementes, beispielsweise Kettenrades, oder als festes Element vorliegen. Der letztgenannte Fall kann beispielsweise bei Verwendung des Wellgetriebes als Stellgetriebe eines Roboters gegeben sein.
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Unabhängig davon, ob das Abtriebshohlrad von einem drehstarren oder einem drehbaren Element umgeben ist, kann unmittelbar durch eine Außenumfangsfläche des Stützelementes eine Gleitlagerfläche gebildet sein. Ebenso ist es möglich, ein gesondertes Gleitlagermaterial mit dem Stützelement zu verbinden. In analoger Weise kann auch im Fall des äußeren Elementes, welches entweder als Antriebselement oder als Gehäuseelement fungieren kann, eine Gleitlagerfunktion entweder direkt durch dieses Element oder durch einen gesonderten Gleitbelag übernommen werden.
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Das direkt mit dem mehrteiligen Abtriebshohlrad zusammenwirkende flexible, verzahnte Getriebeelement kann jegliche an sich bekannte Grundform, das heißt Ringform, Kragenform oder Topfform, beschreiben. In allen Fällen beträgt die Wandstärke eines hülsenförmigen, innenverzahnten Abschnitts des Verzahnungstopfes zum Beispiel mindestens 12 % und höchstens 25 % der Wandstärke eines diesen Abschnitt umgebenden ringförmigen Abschnitts des Stützelementes. Der Verzahnungstopf weist im Vergleich zum Stützelement eine wesentlich ausgeprägtere Nachgiebigkeit auf, wobei die Werkstoffwahl und eine eventuelle Wärmebehandlung insbesondere von den auf die Verzahnung einwirkenden Belastungen abhängig gemacht werden. Besondere Rundheitsanforderungen nach einer Wärmebehandlung sind dagegen nicht zu beachten, da der Verzahnungstopf durch das Stützelement mit ausreichend hoher Präzision in seine vorgesehene Form gezwungen wird.
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Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch die Mehrteiligkeit eines innenverzahnten Abtriebshohlrades eines Wellgetriebes eine hohe Flexibilität bei der Fertigung unterschiedlicher Wellgetriebetypen mit einer hervorragenden Dauerhaltbarkeit des Abtriebshohlrades verbunden ist.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein Wellgetriebe in einer Schnittdarstellung,
- 2 ein Abtriebshohlrad des Wellgetriebes nach 1 in perspektivischer geschnittener Ansicht,
- 3 Komponenten des Wellgetriebes nach 1,
- 4 ein Set aus Wellgetriebekomponenten.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Bei den Figuren handelt es sich teilweise um schematisierte Darstellungen.
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Bei einem insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Wellgetriebe handelt es sich um ein Stellgetriebe eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion eines solchen Nockenwellenverstellers wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Als Antriebselement 2 des Wellgetriebes 1 ist ein Kettenrad 3 vorgesehen, welches von der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetrieben wird und in an sich bekannter Weise mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert. Das Antriebselement 2 ist fest mit einem Antriebshohlrad 4 verbunden, wobei die aus dem Antriebselement 2 und dem Antriebshohlrad 4 gebildete Baugruppe auch als Gehäuse des Wellgetriebes 1 bezeichnet wird und auch eine einstückige Gestaltung von Antriebselement 2 und Antriebshohlrad 4 denkbar ist. In alternativen, nicht dargestellten, insbesondere für die Robotik geeigneten Ausgestaltungen des Wellgetriebes 1 handelt es sich bei dessen Gehäuse um ein nicht rotierbares Maschinenelement.
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Als flexibles Getriebeelement des Wellgetriebes 1 ist ein Flexring 5 vorgesehen, welcher eine Außenverzahnung 7 aufweist. Die Außenverzahnung 7 greift partiell in eine mit 6 bezeichnete Innenverzahnung des Antriebshohlrades 4 ein. Das Antriebshohlrad 4 ist koaxial neben einem mehrteiligen Abtriebshohlrad 8 angeordnet. Bestandteile des Abtriebshohlrades 8 sind ein topfförmiges, in sich starres Stützelement 9 und ein in diesem aufgenommener, im nicht eingebauten Zustand vergleichsweise flexibler Verzahnungstopf 10. Das aus dem Stützelement 9 und dem Verzahnungstopf 10 gebildete Abtriebshohlrad 8 ersetzt ein herkömmliches innenverzahntes Abtriebselement eines Wellgetriebes gängiger Bauart.
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Der Boden des Stützelementes 9 ist mit 11 bezeichnet und weist eine zentrale Öffnung 12 zur Durchführung einer Zentralschraube 24 auf. Von der Öffnung 12 gehen mehrere Schlitze 13 aus, die sich in radialer Richtung, bezogen auf die Mittelachse des Abtriebshohlrades 8 und damit des gesamten Wellgetriebes 1, erstrecken. Eine optionale außermittige Öffnung im Boden 11 ist mit 14 bezeichnet. An derjenigen Stirnseite des Wellgetriebes 1, die einer zu verstellenden Nockenwelle 16 zugewandt ist, befindet sich ein zylindrischer Ansatz 15 am Boden 11.
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An seinem äußeren Rand geht der Boden 11 in einen äußeren zylindrischen, ringförmigen Abschnitt 17 über. Die in Radialrichtung gemessene Wandstärke des Abschnitts 17 ist mit d17 bezeichnet. Am ringförmigen Abschnitt 17 ist eine Verdrehwinkelbegrenzungskontur 18 erkennbar, die die Verdrehung des Abtriebshohlrades 8 gegenüber dem Antriebselement 2 begrenzt. Die Außenumfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 17 ist als Gleitlagerfläche 19 ausgebildet, mit welcher das Stützelement 9 und damit das gesamte Abtriebshohlrad 8 in einer zylindrischen Innenumfangsfläche des Antriebselementes 2 gelagert ist. In Axialrichtung ist das Abtriebshohlrad 8 einerseits durch das Antriebshohlrad 4 und andererseits durch einen geschraubten Deckel 36, welcher sich an einer Stirnseite des Kettenrades 3 befindet, gesichert.
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Der Verzahnungstopf 10 weist einen ebenen Boden 20 auf, wobei eine zentrale Öffnung 21 im Boden 20 dieselbe Funktion wie die Öffnung 12 im Stützelement 9 hat. Die Zentralschraube 24, welche durch die Öffnungen 12, 21 gesteckt ist, stellt das einzige Mittel zur Befestigung der aus dem Stützelement 9 und dem Verzahnungstopf 10 gebildeten Baugruppe an der Nockenwelle 16 dar und ist in ein Innengewinde 33 der Nockenwelle 16 eingeschraubt.
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An den äußeren Rand des Bodens 20 des Verzahnungstopfes 10 schließt sich der mit 22 bezeichnete hülsenförmige, innenverzahnte Abschnitt des Verzahnungstopfes 10 an. Die Wandstärke des hülsenförmigen Abschnitts 22 ist mit d22 bezeichnet und beträgt weniger als ein Viertel der Wandstärke d17 des den Abschnitt 22 kontaktierenden Abschnitts 17 des Stützelementes 9. Die Innenverzahnung des Verzahnungstopfes 10 und damit des gesamten Abtriebshohlrades 8 ist mit 23 bezeichnet. Zwischen dem Verzahnungstopf 10 und dem Stützelement 9 ist eine Übergangspassung gegeben. Am Stützelement 9 befinden sich keine Verzahnungen.
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Beim Betrieb des Wellgetriebes 1 wird das flexible Getriebeelement 5 durch einen Wellgenerator 25 verformt. Der Wellgenerator 25 umfasst ein Kugellager als Wälzlager 26. In den mit 38 bezeichneten Innenring des Wälzlagers sind zwei Bolzen 27 eingesetzt, die den Antrieb des Innenrings 38 über eine nicht dargestellte Ausgleichskupplung ermöglichen. In an sich bekannter Weise ist der fest mit den Bolzen 27 verbundene Innenring 38 des Kugellagers 26 elliptisch, nicht kreisrund, geformt, so dass hierauf abrollende Wälzkörper 28, das heißt Kugeln, welche in einem Käfig 29 geführt sind, den mit 30 bezeichneten verformbaren Außenring des Kugellagers 26 permanent in eine unrunde Form zwingen.
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Der Flexring 5 umgibt den Außenring 30, ohne mit diesem fest verbunden zu sein. In Axialrichtung läuft der Außenring 30 einerseits an einem Bord 31 des Antriebshohlrades 4 und andererseits am Boden 20 des Verzahnungstopfes 10 an. Geringfügig unterschiedliche Zähnezahlen der verschiedenen Verzahnungen 6, 7, 23 sorgen in an sich bekannter Weise dafür, dass eine volle Umdrehung des Innenrings 38 des Kugellagers 26 gegenüber dem Antriebshohlrad 4 in eine lediglich geringe Verschwenkung zwischen dem Abtriebshohlrad 8 und dem Antriebshohlrad 4 umgesetzt wird.
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Das in den 1 bis 3 erkennbare Stützelement 9 ist auch in 4 (rechts oben) skizziert. Ferner zeigt die 4 ein modifiziertes Stützelement 37, welches ebenso wie das Stützelement 9 mit dem Verzahnungstopf 10 kombinierbar ist. Die verschiedenen Stützelemente unterscheiden sich im skizzierten Fall insbesondere hinsichtlich der Geometrie der Schlitze 13 voneinander. Die Schlitze 13 stellen ebenso wie die Öffnung 14, der zylindrische Ansatz 15, die Verdrehwinkelbegrenzungskonturen 18 und die Gleitlagerfläche 19 Anschlusskonturen der Stützelemente 9, 37 dar.
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Die verschiedenen Stützelemente 9, 37 sind Elemente eines Sets 32, welchem neben dem Verzahnungstopf 10, wie er in den 1 bis 3 dargestellt ist, weitere Verzahnungstöpfe 34, 35 zuzurechnen sein können. Die Verzahnungstöpfe 10, 34, 35 können sich unter anderem, wie in 4 angedeutet ist, durch das Verzahnungsprofil der Innenverzahnung 23 voneinander unterscheiden und sind in beliebiger Weise mit jedem der Stützelemente 9, 37 kombinierbar. Bei den Verzahnungstöpfen 10, 34, 35 handelt es sich um umformtechnisch hergestellte, dünnwandige metallische Bauteile. Die mechanische Stabilität des gesamten, mehrteiligen Abtriebshohlrades 8 wird maßgeblich durch das in Abhängigkeit von der Umgebungskonstruktion auszuwählende Stützelement 9, 37 hergestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Antriebselement
- 3
- Kettenrad
- 4
- Antriebshohlrad
- 5
- flexibles Getriebeelement, Flexring
- 6
- Innenverzahnung des Antriebshohlrades
- 7
- Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes
- 8
- Abtriebshohlrad
- 9
- Stützelement
- 10
- Verzahnungstopf
- 11
- Boden des Stützelementes
- 12
- zentrale Öffnung im Boden des Stützelementes
- 13
- Schlitz
- 14
- außermittige Öffnung
- 15
- zylindrischer Ansatz
- 16
- Nockenwelle
- 17
- äußerer zylindrischer, ringförmiger Abschnitt des Stützelementes
- 18
- Verdrehwinkelbegrenzungskontur
- 19
- Gleitlagerfläche
- 20
- Boden des Verzahnungstopfes
- 21
- zentrale Öffnung im Boden des Verzahnungstopfes
- 22
- hülsenförmiger Abschnitt des Verzahnungstopfes
- 23
- Innenverzahnung des Abtriebshohlrades
- 24
- Zentralschraube
- 25
- Wellgenerator
- 26
- Wälzlager, Kugellager
- 27
- Bolzen
- 28
- Wälzkörper, Kugel
- 29
- Käfig
- 30
- Außenring
- 31
- Bord des Antriebshohlrades
- 32
- Set aus Komponenten zum Zusammenbau von Abtriebshohlrädern
- 33
- Innengewinde
- 34
- Verzahnungstopf
- 35
- Verzahnungstopf
- 36
- Deckel
- 37
- Stützelement
- 38
- Innenring
- d17
- Wandstärke des ringförmigen Abschnitts des Stützelementes
- d22
- Wandstärke des hülsenförmigen Abschnitts des Verzahnungstopfes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202015009214 U1 [0002]
- DE 102019132995 A1 [0003]
- DE 102018132400 A1 [0003]
- DE 102018126440 A1 [0004]
