DE102016216924A1

DE102016216924A1 - Getriebe mit elastischem Zahnrad

Info

Publication number: DE102016216924A1
Application number: DE102016216924.6A
Authority: DE
Inventors: Bastian Hain; Peter Zierer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2017-03-16
Also published as: JP2018528372A; WO2017041800A1; US20180252305A1; CN107923511A; CN107923511B; US11015692B2

Abstract

Ein Getriebe (1), insbesondere Wellgetriebe, weist ein elastisches Zahnrad (2) mit einem Flansch (16) auf, welcher an einem Gehäusebauteil (7) des Getriebes (1) befestigt ist. Eine zur Halterung des Flansches (16) am Gehäusebauteil (7) vorgesehene Verbindungsanordnung (8) umfasst eine Mehrzahl an Befestigungsstellen (14), wobei die Verbindungsanordnung (8) außerhalb der Befestigungsstellen (14) ein Axialspiel zwischen dem Flansch (16) und dem Gehäusebauteil (7), bezogen auf die Mittelachse (M) des Zahnrads (2), aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein mindestens ein elastisches Zahnrad aufweisendes Getriebe, insbesondere Wellgetriebe für einen elektrischen Nockenwellenversteller oder eine Vorrichtung zur Verstellung der Verdichtung (VCR = Variable Compression Ratio) einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei das Zahnrad einen zur Befestigung an einem Gehäusebauteil vorgesehenen Flansch aufweist.
Ein gattungsgemäßes Getriebe, welches ein elastisches Zahnrad aufweist, ist beispielsweise aus der EP 0 741 256 B1 bekannt. Ein weiteres Getriebe mit einem nachgiebigen Zahnrad, in diesem Fall als flexibles Becher-Element bezeichnet, ist in der EP 0514 829 B1 offenbart. In beiden Fällen weist das nachgiebige Zahnrad einen dicken Nabenbereich auf, welcher an einem Gehäusebauteil des Getriebes befestigbar ist, wobei eine Mehrzahl an Befestigungsstellen vorgesehen ist. Die Nachgiebigkeit des Zahnrads wird durch Bereiche dünnen Querschnitts innerhalb des Zahnrads erreicht. Die bekannten Getriebe sollen in kleinen Robotern oder Präzisionsmaschinen einsetzbar sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe mit elastischem Zahnrad, insbesondere Wellgetriebe, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei das Getriebe insbesondere als Untersetzungsgetriebe in einem elektrischen Nockenwellenversteller einer Brennkraftmaschine verwendbar sein und hierbei einen kompakten Aufbau mit zuverlässiger Funktion verbinden soll. Ebenso soll das Getriebe in einer Vorrichtung zur Veränderung der Verdichtung einer Brennkraftmaschine, nämlich Hubkolbenmaschine, verwendbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieses mindestens ein elastisches Zahnrad aufweisende Getriebe umfasst ein Gehäusebauteil, an welchem das elastische Zahnrad befestigt ist. Das elastische Zahnrad kann eine Topfform aufweisen, wobei es Teil eines Topfgetriebes sein kann.
Ein radial nach außen gerichteter Flansch des Zahnrads ist am Gehäusebauteil mittels einer Verbindungsanordnung gehalten, welche mehrere Befestigungsstellen, insbesondere Verschraubungsstellen, aufweist. Außerhalb der Befestigungsstellen ist ein Axialspiel zwischen dem Flansch und dem Gehäusebauteil, bezogen auf die Mittelachse des Zahnrads, gegeben. Vorzugsweise ist das Zahnrad, ausgehend vom mechanisch nicht belasteten Zustand, aufgrund des Axialspiels in beiden Axialrichtungen auslenkbar. Insgesamt ist das elastische Zahnrad damit in Umfangsrichtung spielfrei und zugleich in axialer Richtung spielbehaftet am Gehäusebauteil gehalten. Das Axialspiel ist in diesem Zusammenhang nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Verlagerung des Zahnrads in axialer Richtung ohne jede Krafteinwirkung möglich ist. Vielmehr sind axiale Bewegungen von Abschnitten des Zahnrades, das heißt von Abschnitten außerhalb der Befestigungsstellen, zwar unter Krafteinwirkung, aber mit weitaus geringerer Kraft als sonstige Verlagerungen oder Verformungen, insbesondere in Umfangsrichtung, möglich.
Das mit richtungsabhängiger Steifigkeit am Gehäuse gehaltene elastische Zahnrad weist in bevorzugter Ausgestaltung einen an den Flansch, das heißt den sich in Radialrichtung nach außen erstreckender Abschnitt, anschließenden zylindrischen, verzahnten Abschnitt auf. Bei der Verzahnung des zylindrischen Abschnitts handelt es sich vorzugsweise um eine Außenverzahnung, die mit einer gehäusefesten Innenverzahnung des Getriebes kämmt. Das aus zwei Abschnitten, nämlich einem zylindrischen und einem flächigen, ringförmigen Abschnitt gebildete elastische Zahnrad wird auch als Winkelring bezeichnet.
Die Wandstärke des zylindrischen Abschnitts des Zahnrades, gemessen außerhalb der Verzahnung, stimmt in fertigungstechnisch vorteilhaften Ausführungsformen mit der Wandstärke des Flansches überein. Insbesondere ist der Flansch auch im Bereich der Befestigungsstellen nicht verdickt. Besonders rationell ist das Zahnrad als einstückiges Blechteil herstellbar. Es ist nicht erforderlich, gezielte Materialschwächungen zur Herstellung einer Nachgiebigkeit in axialer Richtung einzubringen.
Der sich in Radialrichtung erstreckende, im Wesentlichen in einer einzigen Ebene liegende Abschnitt, das heißt Flansch, des elastischen Zahnrades kann mit Hilfe von Bolzen am Gehäusebauteil gehalten sein, wobei zur Herstellung des Axialspiels Zwischenteile, beispielsweise in Form von Scheiben oder komplexer geformten Abstandsstücken, zwischen den Bolzen, dem Flansch und dem Gehäusebauteil eingelegt sein können. Der gesamte Flansch ist vorzugsweise eben. Alternativ kann der Flansch eine gewellte Form aufweisen, was einerseits zu einer erhöhten Nachgiebigkeit in axialer Richtung beiträgt, andererseits jedoch auch die Steifigkeit in Umfangsrichtung mindern kann.
Bei dem Gehäusebauteil, an welchem das elastische Zahnrad befestigt ist, kann es sich um ein mittels eines Zugmittels antreibbares Antriebsrad des Getriebes handeln. Ansonsten ist ein solches Antriebsrad vorzugsweise drehfest mit dem genannten Gehäusebauteil verbunden.
In bevorzugter Ausgestaltung ist Axialspiel sowohl radial innerhalb der Befestigungsstellen, das heißt in Bereichen, welche von der Mittelachse des Zahnrades geringer als die Befestigungsstellen beabstandet sind, als auch in Umfangsabschnitten zwischen den Befestigungsstellen gegeben. Hierbei erstrecken sich die Umfangsabschnitte, in welchen Axialspiel zwischen dem Flansch und dem Gehäusebauteil gegeben ist, insgesamt vorzugsweise über mindestens 85%, das heißt mindestens 306°, des Umfangs des Flansches.
Der zwischen der in Umfangsrichtung gewünschten Steifigkeit und der in Axialrichtung gewünschten Nachgiebigkeit der Anbindung des elastischen Zahnrades an das Gehäuse bestehende Zielkonflikt ist besonders gut lösbar durch Ausführungsformen, bei denen nicht mehr als fünf Befestigungsstellen, beispielsweise genau fünf Befestigungsstellen, vorgesehen sind.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch die partielle Entkopplung eines elastischen Zahnrades eines Getriebes gegenüber dem Getriebegehäuse ausschließlich in axialer Richtung eine besonders hohe Präzision hinsichtlich der Übertragung von Drehbewegungen erreicht ist, wobei betriebsbedingte Verformungen eines verzahnten, zylindrischen Abschnitt des Zahnrades in radialer Richtung ungehindert möglich sind.
Das anmeldungsgemäße Getriebe ist besonders zur Verwendung in einem elektrischen Nockenwellenversteller mit elektrisch angetriebener Stellwelle geeignet. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente DE 10 2013 220 220 A1 und DE 10 2013 220 221 A1 verwiesen. Ebenso ist das Getriebe in einer Vorrichtung verwendbar, welche der Einstellung einer variablen Verdichtung in einer Hubkolbenmaschine dient.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise schematisiert:
1 eine stirnseitige Draufsicht auf ein elastisches Zahnrad eines Getriebes, nämlich Wellgetriebes,
2, 3 verschiedene Schnitte durch das das Zahnrad nach 1 aufweisende Wellgetriebe.
Die 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Getriebes, welches als Wellgetriebe ausgebildet ist und ein elastisches Zahnrad 2 aufweist. Das Getriebe 1 ist als hoch untersetztes Getriebe Teil eines elektrischen Nockenwellenverstellers einer Brennkraftmaschine. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Getriebes 1 wird auf den zitierten Stand der Technik verwiesen.
Das Getriebe 1 weist ein Gehäusebauteil 3 auf, welches direkt oder indirekt über ein nicht dargestelltes Zugmittel, das heißt einen Riemen oder eine Kette, von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, das heißt eines Otto- oder Dieselmotors, angetrieben wird. Die Drehbewegung des Gehäusebauteils 3 wird mit Hilfe von Bolzen 4, die im Antriebsrad 3 befestigt sind, spielfrei, was die Umfangsrichtung betrifft, auf das elastische Zahnrad 2 übertragen. Ausnehmungen 5 des Zahnrades 2, durch welche jeweils ein Bolzen 4 gesteckt ist, weisen eine kreisrunde Form auf. Schraubenköpfe der Bolzen 4 sind mit 6 bezeichnet. Insgesamt weist das Getriebe 1 fünf Bolzen 4 zur Befestigung des Zahnrades 2 am Gehäusebauteil 3 auf.
Die insgesamt mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnete Verbindungsanordnung zwischen dem Zahnrad 2 und dem Gehäusebauteil 3 des Getriebes 1 ist derart gestaltet, dass ein mit S₁ und S₂ bezeichnetes Spiel in Axialrichtung, bezogen auf die mit M bezeichnete Mittelachse des Zahnrades 2, existiert. Auf diese Weise können Verformungen des elastischen Zahnrads 2 aufgenommen werden.
Die Verformungen des elastischen Zahnrades 2 entstehen durch einen mit 9 bezeichneten Wellgenerator, welcher einen mit 12 bezeichneten Außenring sowie einen elliptischen Innenring 10 aufweist. Der Außenring 12 passt sich in jedem Betriebszustand der elliptischen Form des Innenrings 10 an. Das elastische Zahnrad 2 wiederum umgibt direkt den Außenring 12 unter Anpassung an dessen nicht kreisrunde Form. Zwischen den Lagerringen 10, 12, das heißt dem Innenring 10 und dem Außenring 12, des Wellgenerators 9 rollen Kugeln 11 als Wälzkörper ab. Der ein elliptische Form annehmende Außenring 12 drückt das elastische Zahnrad 2 an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen gegen ein innenverzahntes Abtriebsrad 13. Dieses wiederum ist drehfest verbunden mit einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine.
Das elastische Zahnrad 2 weist einen zylindrischen, verzahnten Abschnitt 15 sowie einen an diesen anschließenden, sich in Radialrichtung nach außen erstreckenden Abschnitt 16, das heißt einen Flansch, auf, wobei sich die Ausnehmungen 5 im Flansch 16 befinden. Die mit 7 bezeichnete Verzahnung, nämlich Außenverzahnung, des Zahnrades 2 befindet sich auf dem zylindrischen Abschnitt 15. Der Innenring 10 des Wellgenerators 9 wird durch eine nicht dargestellte, elektrische Antriebsvorrichtung in Rotation versetzt. Bei der den Innenring 10 antreibenden Welle handelt es sich um eine Stellwelle; beim Getriebe 1 insgesamt um ein Dreiwellengetriebe.
Der Schnitt nach 2 ist durch einen der Bolzen 4 gelegt, während der Schnitt nach 3 einen freigestellten Umfangsabschnitt 17 des Flansches 16 zeigt. Dieser Umfangsabschnitt 17 erstreckt sich über einen mit S₃ bezeichneten Winkelbereich von mehr als 45°.
Insgesamt weist das Getriebe 1 entsprechend der Anzahl der Bolzen 4 fünf freigestellte Umfangsabschnitte 17 auf. Zwischen zwei Umfangsabschnitten 17 befindet sich jeweils eine mit 14 bezeichnete, in 2 dargestellte Befestigungsstelle. Lediglich an den Befestigungsstellen 14 kontaktiert der Flansch 16 das Gehäusebauteil 3, wobei der Flansch 16 unter Zwischenschaltung eines Zwischenstücks 18 und eines Vorsatzstückes 19 mittels des Bolzens 4 am Gehäusebauteil 3 gehalten ist. Beim Vorsatzstück 19 handelt es sich um ein einziges, ringförmiges Teil, welches im Bereich jeder Befestigungsstelle 14 verstärkt ist. Dagegen stellen die Zwischenstücke 18, welche sich zwischen dem Flansch 16 und dem Gehäusebauteil 3 befinden, einzelne Beilagscheiben dar, durch welche jeweils ein Bolzen 4 gesteckt ist. Das axiale Spiel S₁ auf der dem Gehäusebauteil 3 zugewandten Seite und das axiale Spiel S₂ auf der dem Gehäusebauteil 3 abgewandten Seite entspricht der Stärke der Zwischenstücke 18 bzw. der Verdickung des Vorsatzstücks 19 an den Befestigungsstellen 14.
Die Verbindungsanordnung 8, die mit Hilfe der Befestigungsstellen 14 sowie der freigestellten Umfangsabschnitte 17 realisiert ist, ist dazu vorgesehen, Verformungen des Zahnrads 2 aufzunehmen, ohne Spiel zwischen dem Zahnrad 2 und dem Gehäusebauteil 3 in Umfangsrichtung der genannten Teile zuzulassen. Aufgrund der – was die Axialrichtung betrifft – flexiblen Anbindung des Zahnrades 2 an das Gehäusebauteil 3 braucht das Zahnrad 2 in sich keine wesentlichen, etwa durch Materialschwächungen erzeugte Elastizitäten aufzuweisen, die über das Maß hinausgehen, welches für die Funktion des Wellgenerators 9 erforderlich ist. Die durch Verschraubungen realisierten Befestigungsstellen 14 sind alternativ als Schweißverbindungen ausführbar.
Bezugszeichenliste

1: Getriebe
2: Zahnrad
3: Gehäusebauteil
4: Bolzen
5: Ausnehmung
6: Schraubenkopf
7: Verzahnung
8: Verbindungsanordnung
9: Wellgenerator
10: Innenring
11: Kugel
12: Außenring
13: Abtriebsrad
14: Befestigungsstelle
15: zylindrischer, verzahnter Abschnitt
16: Flansch
17: freigestellter Umfangsabschnitt
18: Zwischenstück
19: Vorsatzstück
M: Mittelachse
S₁, S₂: Spiel in axialer Richtung
S₃: Winkelbereich des freigestellten Umfangsbereichs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0741256 B1 [0002]
EP 0514829 B1 [0002]
DE 102013220220 A1 [0013]
DE 102013220221 A1 [0013]

Claims

Getriebe (1) mit einem elastischen, einen Flansch (16) aufweisenden Zahnrad (2), umfassend ein Gehäusebauteil (3), an welchem der Flansch (16) des Zahnrads (2) befestigt ist, wobei eine zur Halterung des Flansches (16) am Gehäusebauteil (3) vorgesehene Verbindungsanordnung (8) eine Mehrzahl an Befestigungsstellen (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsanordnung (8) außerhalb der Befestigungsstellen (14) ein Axialspiel zwischen dem Flansch (16) und dem Gehäusebauteil (3), bezogen auf die Mittelachse (M) des Zahnrads (2), aufweist.
Getriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (2) einen an den Flansch (16) anschließenden, zylindrischen, verzahnten Abschnitt (15) aufweist.
Getriebe (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische, verzahnte Abschnitt (15) des Zahnrades (2) außenverzahnt ist.
Getriebe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (16) die gleiche Wandstärke wie der zylindrische Abschnitt (15) außerhalb dessen Verzahnung (7) aufweist.
Getriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialspiel sowohl radial innerhalb der Befestigungsstellen (14) als auch in Umfangsabschnitten (17) zwischen den Befestigungsstellen (14) gegeben ist.
Getriebe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Umfangsabschnitte (17), in welchen Axialspiel zwischen dem Flansch (16) und dem Gehäusebauteil (3) gegeben ist, insgesamt über mindestens 85% des Umfangs des Flansches (16) erstrecken.
Getriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nicht mehr als fünf Befestigungsstellen (14) vorgesehen sind.
Verwendung eines Getriebes (1) nach Anspruch 1 als Untersetzungsgetriebe in einem Kraftfahrzeug.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe (1) Teil eines elektrischen Nockenwellenverstellers ist.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe (1) Teil einer Vorrichtung zur Veränderung der Verdichtung der Brennkraftmaschine ist.